Stratégies moteur optimisées réduisent la consommation
Dans le paysage en pleine évolution de l’électrification automobile, où les préoccupations environnementales et l’efficacité énergétique dominent les priorités d’ingénierie, une nouvelle étude révèle des progrès significatifs dans l’optimisation du fonctionnement du moteur pour les véhicules électriques à prolongateur d’autonomie (REEV). Alors que les constructeurs automobiles s’efforcent d’équilibrer l’autonomie, l’économie de carburant et les émissions, des chercheurs du Centre de recherche et développement automobile de GAC ont démontré que des améliorations stratégiques du fonctionnement du moteur à combustion interne embarqué peuvent conduire à des améliorations mesurables de la consommation réelle de carburant.
Cette recherche, dirigée par Chen Hong et Jiang Xiaoxiao, se concentre sur l’un des aspects les plus critiques mais souvent négligés de la performance des REEV : la logique opérationnelle gouvernant le moteur prolongateur d’autonomie. Contrairement aux hybrides conventionnels où le moteur contribue directement à la propulsion du véhicule, les REEV utilisent leurs moteurs uniquement comme générateurs, découplant ainsi l’entraînement mécanique de la production électrique. Cette liberté de conception permet aux ingénieurs de faire fonctionner le moteur à ses points les plus efficaces, maximisant théoriquement la conversion du carburant en électricité. Cependant, la mise en pratique de ce principe implique des compromis complexes entre l’efficacité systémique, le cyclage de la batterie, les pertes des power electronics et les demandes dynamiques de conduite.
Publiée dans la revue à comité de lecture Chinese Internal Combustion Engine Engineering, l’étude utilise GT-SUITE, une plateforme de simulation haute fidélité largement utilisée dans le développement automobile, pour modéliser un système complet de propulsion REEV. L’équipe a construit un prototype virtuel détaillé basé sur des paramètres véhicule réalistes, incluant un poids à vide de 1 550 kg, un coefficient de traînée aérodynamique de 0,26 et un rapport de transmission final de 10,633. Le cadre de simulation intègre des modèles pour le moteur, le générateur, la batterie, l’électronique de puissance et la dynamique du véhicule, permettant une analyse complète des flux énergétiques dans l’ensemble du système sous des conditions de test standardisées.
Un thème central de l’étude est la comparaison entre deux paradigmes de contrôle fondamentaux : le fonctionnement en ligne et le fonctionnement en points. Dans la stratégie « ligne », le moteur est autorisé à fonctionner sur une bande continue de régimes et de charges—spécifiquement le long de la courbe d’efficacité optimale du système prolongateur d’autonomie combiné, qui inclut à la fois le moteur et le générateur. Cette approche vise à maintenir le sous-système de production d’énergie à son efficacité thermodynamique maximale en permanence. En revanche, la stratégie « points » restreint le moteur à un ensemble discret de points de fonctionnement fixes, typiquement définis par des régimes moteur et des niveaux de couple spécifiques. Bien qu’apparemment moins flexible, cette méthode offre un contrôle plus strict du comportement transitoire, réduit l’usure et simplifie l’étalonnage.
Pour évaluer ces stratégies, l’équipe a soumis le véhicule simulé au cycle d’essai chinois pour véhicules légers (CLTC), un programme de conduite conçu pour refléter les patterns typiques de conduite urbaine et suburbaine dans les villes chinoises. Le CLTC présente des arrêts fréquents, des accélérations modérées et des vitesses moyennes relativement faibles, le rendant particulièrement pertinent pour évaluer les véhicules électriques à prolongateur d’autonomie destinés à un usage urbain. Les simulations ont été conduites en mode maintien de charge (CS), signifiant que l’état de charge (SOC) de la batterie au début et à la fin du cycle restait équilibré à 30%, simulant ainsi un usage réel où le véhicule dépend principalement du prolongateur d’autonomie après épuisement de l’autonomie électrique initiale.
Les résultats ont révélé un avantage net pour les stratégies de contrôle par points. Lorsque le moteur était autorisé à suivre la ligne d’efficacité optimale sans contraintes de puissance (Stratégie 1), la consommation simulée de carburant s’établissait à environ 0,041 L/km. L’introduction de limites de puissance supérieures ou inférieures à cette stratégie ligne apportait des améliorations marginales mais ne parvenait pas à descendre sous le seuil de 0,040 L/km. Cependant, en passant à l’opération par points, l’économie de carburant s’améliorait significativement. Parmi les diverses stratégies par points testées, la Stratégie 7—qui contraignait le moteur à fonctionner entre 2 250 tr/min et 2 500 tr/min, avec une puissance minimale de 30 kW et une maximale de 38 kW—obtenait le meilleur résultat : une consommation de seulement 0,03824 L/km, équivalant à 3,824 litres aux 100 kilomètres.
Cette amélioration découle d’une distribution plus favorable des pertes énergétiques à travers la chaîne de traction. Sous fonctionnement ligne, particulièrement à faibles charges, le moteur fonctionne fréquemment à des régimes et des couples sous-optimaux, conduisant à des pertes relatives plus élevées dans le moteur lui-même et dans le système générateur. De plus, parce que la puissance de sortie est continuellement variable, le système génère souvent un excès d’électricité durant les phases de faible demande, forçant la batterie à des cycles fréquents de charge-décharge. Chacun de ces cycles entraîne une perte d’énergie due à la résistance interne de la batterie et aux inefficacités des convertisseurs de puissance.
Les stratégies par points, au contraire, permettent au moteur de fonctionner principalement dans une plage étroite et hautement efficiente. La Stratégie 7, par exemple, a vu le moteur fonctionner 82,91 % de son temps à 2 250 tr/min produisant 30,09 kW, un point où à la fois l’efficacité thermique moteur (42,49 %) et l’efficacité globale du système prolongateur (38,73 %) sont élevées. Les 17,09 % d’opération restants sont survenus à 2 500 tr/min, générant 37,94 kW. Cette opération focalisée a réduit les pertes liées au moteur de près de 9 points de pourcentage comparé à la stratégie ligne de référence et a coupé les pertes du système générateur de plus d’1 point de pourcentage. De plus, parce que le moteur délivre sa puissance par impulsions plus importantes et plus prévisibles, la batterie subit moins de cycles partiels, réduisant les pertes cumulatives de charge et décharge.
Il est intéressant de noter que l’étude a aussi examiné une stratégie communément supposée « optimale » : fixer le moteur à un point de fonctionnement unique—le pic absolu de la carte d’efficacité du système prolongateur (Stratégie 8). Contrairement à l’intuition, cette approche a performé moins bien que la stratégie multi-points 7, résultant en une consommation de 0,03855 L/km, une dégradation de 0,81 % comparé à l’optimum. La raison réside dans la rigidité du système. Un point fixe unique ne peut pas s’adapter aux demandes de puissance variables. Durant une conduite à faible charge, le moteur continue de générer à son réglage fixe de haute puissance, inondant le système d’un excès d’électricité qui doit être stocké, augmentant ainsi les pertes batterie et convertisseur. Durant une demande de haute puissance, le moteur à point unique peut ne pas délivrer une puissance suffisante, forçant la batterie à compenser et se décharger profondément, encourant à nouveau des pénalités d’efficacité. Ainsi, un degré de flexibilité opérationnelle—même au sein d’un cadre contraint par points—s’avère essentiel pour l’optimisation systémique holistique.
Sur la base de ces résultats, l’équipe de recherche a exploré l’impact de l’amélioration de la performance intrinsèque du moteur. Reconnaissant que la stratégie de contrôle seule ne peut surmonter les limitations matérielles, ils ont modélisé un système de combustion de nouvelle génération incorporant l’allumage par préchambre et la technologie de combustion ultra-pauvre. Cette configuration avancée permet une combustion plus rapide et plus stable sous des mélanges air-carburant extrêmement pauvres, permettant au moteur d’atteindre une pression moyenne effective (PME) plus élevée tout en maintenant une phasage de combustion optimal près du point mort haut. À 1 750 tr/min, par exemple, le moteur optimisé pouvait produire 1,1 MPa de PME comparé à 0,8 MPa pour la version de référence, avec une durée de combustion réduite de 26,7 degrés à 14,3 degrés et la limite de combustion pauvre étendue d’un ratio d’excès d’air de 1,4 à 2,3.
Lorsque ce modèle de moteur amélioré fut intégré dans la simulation, les bénéfices furent substantiels. Réappliquant la logique de contrôle par points, l’équipe a trouvé que même des réglages conservateurs de la plage de puissance produisaient une meilleure économie de carburant que le meilleur cas précédent. La Stratégie 10, qui fixait la plage de fonctionnement du moteur entre 40 kW et 55 kW, a atteint une consommation remarquable de 0,03664 L/km—une amélioration de 4,18 % par rapport au cas optimal original. Cette réduction se traduit par une économie réelle d’environ 0,16 L/100km, un chiffre significatif sur des marchés compétitifs où chaque fraction de litre compte.
L’analyse du flux énergétique a révélé que bien que le moteur optimisé encourt des pertes légèrement plus élevées du système générateur dues à l’augmentation du couple de sortie, les gains en efficacité thermique moteur étaient si prononcés que les pertes globales du système diminuaient. Les pertes liées au moteur sont passées de 140,76 % de l’énergie de sortie totale dans le cas de référence à 125,88 % dans le scénario amélioré. Bien que la dépendance au tampon batterie ait légèrement augmenté—conduisant à des pertes plus élevées de la batterie et du convertisseur—l’effet net fut une réduction significative de l’inefficacité totale du système, faisant passer le ratio de pertes global de 172,25 % à 162,14 %.
Ces découvertes portent d’importantes implications pour les constructeurs automobiles développant des véhicules électriques à prolongateur d’autonomie. Premièrement, elles remettent en cause la notion selon laquelle faire fonctionner un moteur simplement à son point de rendement peak est suffisant pour une performance systémique optimale. Au lieu de cela, une stratégie multi-points plus nuancée, qui tient compte des pertes de la batterie et de l’électronique de puissance, peut produire une économie réelle supérieure. Deuxièmement, l’étude souligne la synergie entre l’optimisation matérielle et logicielle : améliorer l’efficacité inhérente du moteur amplifie les bénéfices d’une logique de contrôle intelligente, créant un effet composé sur les économies de carburant.
D’un point de vue développement produit, la recherche suggère que les futurs REEV devraient employer des schémas de contrôle adaptatifs par points qui sélectionnent dynamiquement entre deux ou trois points de fonctionnement haute efficacité basés sur les conditions de conduite en temps réel et l’état de la batterie. De plus, investir dans des technologies de combustion avancées—telles que l’allumage par préchambre—n’est pas seulement une quête académique mais une voie pratique vers des gains d’efficacité tangibles. De telles innovations permettent au moteur de produire plus de puissance en moins de temps, réduisant le temps de fonctionnement total et minimisant les pertes cumulatives à travers toute la chaîne énergétique.
Le travail met aussi en lumière la valeur de la simulation au niveau système dans l’ingénierie automobile moderne. En modélisant les interactions entre le moteur, le générateur, la batterie et la dynamique du véhicule, les chercheurs ont pu identifier des compromis non intuitifs qui seraient difficiles à détecter par des tests physiques seuls. Cette capacité permet une itération plus rapide, des coûts de développement réduits et des calibrations finales plus robustes.
Pour les consommateurs, les implications sont simples : une gestion plus intelligente du moteur et une meilleure conception du moteur conduisent à une autonomie effective plus longue, des coûts de carburant réduits et des émissions diminuées—le tout sans compromettre l’expérience de conduite fluide et réactive qui définit la mobilité électrique. Alors que les marchés globaux continuent leur transition vers les transports électrifiés, des solutions comme le REEV optimisé offrent un pont pragmatique, combinant le commodité du carburant liquide avec l’efficacité et la propreté de la propulsion électrique.
En conclusion, l’étude de Chen Hong, Jiang Xiaoxiao et de leurs collègues chez GAC fournit une feuille de route convaincante pour maximiser l’efficacité des véhicules électriques à prolongateur d’autonomie. En allant au-delà des hypothèses de contrôle simplistes et en adoptant une approche holistique et systémique de l’optimisation, ils démontrent que des améliorations significatives sont encore réalisables dans les groupes motopropulseurs hybrides. Leur travail témoigne de l’innovation continue au sein du domaine du moteur à combustion interne, prouvant que même à l’ère de l’électrification, le MCI reste un composant vital et évolutif des transports durables.
Chen Hong, Jiang Xiaoxiao et al., Chinese Internal Combustion Engine Engineering, DOI: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2024.04.005