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Simulation multi-domaines d'un système de propulsion hybride électrique sous l'environnement Matlab/Simulink

Bailly, Guillaume (2006). Simulation multi-domaines d'un système de propulsion hybride électrique sous l'environnement Matlab/Simulink. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le projet de recherche consiste à modéliser et simuler un système multi-domaines complexe sous un unique environnement de travail. Ce système intégrant une partie commande, une partie électrique et une partie mécanique. En effet, la simulation numérique est devenue une tâche incontournable lors de la conception de tout nouveau système et dont l'objectif est la réduction de prototypes et la réduction du temps de la phase de conception. Cet objectif ne peut être complété que par l'utilisation d'outils logiciels adaptés qui sont basés sur la complémentarité entre les différents domaines. C'est pourquoi, ce projet est réalisé sous l'environnement Matlab/Simulink possédant plusieurs modules dédiés aux systèmes mécaniques, électriques et leurs commandes.

Afin de se familiariser avec l'environnement Matlab/Simulink, le premier système modélisé est celui de la bobineuse. Ce système que l'on retrouve notamment dans l'industrie papetière consiste à contrôler le couple d'un moteur électrique. Ce dernier entraînant une bobine dont l'inertie et la masse varient à mesure que le papier s'enroule.

La seconde étude porte sur le système de transmission d'un véhicule hybride électrique basé sur celui de la Toyota Prius (THS II). Ce système possède en plus de sa source d'énergie primaire provenant du moteur à combustion, une source d'énergie électrique délivrée par une batterie.

Le système hybride de la Toyota Prius possède une architecture appelée série/parallèle. Ce système possède un moteur thermique (ou moteur à essence) et deux moteurs électriques. Selon le mode de fonctionnement désiré, le moteur thermique fournit sa puissance mécanique aux roues et/ou entraîne une génératrice permettant d'alimenter le moteur électrique. Ce dernier délivrant alors un couple aux roues. Le moteur électrique pouvant être alimenté par la génératrice et/ou par la batterie. Un système de répartition de la puissance (train planétaire épicycloïdal) permet de diviser la puissance mécanique du moteur thermique entre les roues et la génératrice de façon à utiliser chaque moteur dans sa plage de haut rendement et ainsi augmenter le rendement énergitique du véhicule.

Les résultats montrent que les comportements du système mécanique et du système électrique pour chacun des modes de fonctionnement (démarrage, conduite normale, forte accélération, freinage, recharge de la batterie) sont respectés et les caractéristiques dynamiques du véhicule (accélération, vitesse) sont proches de celles rencontrées dans la réalité. Le modèle montre de plus, la complémentarité des outils logiciels de Matlab/Simulink pour simuler des systèmes électromécaniques complexes.

Titre traduit

Multi-domain simulation of a hybrid electric powertrain using Matlab/Simulink

Résumé traduit

The main objective of this research project is to design and simulate a multi-domain system under a unique work environment. This system integrates a control sub-system, an electrical sub-system and a mechanical sub-system. Indeed, the digital simulation is a critical part in the research and design process to complete the goal of prototypes design cost reduction and time diminution. This objective can be fulfilled by using specific software tools based on the complementarity between the different domains studied. For this reason, this project is realized under the Matlab/Simulink environment which has different toolboxes dedicated to the simulation of mechanical and electrical systems with their controls.

In order to be familiarized with the Matlab/Simulink environment, the first multi-domain system designed is the winding machine. This system, used in the paper industry, consists to control the electrical motor torque. This motor drives a coil who's inertia and mass are increasing while the paper is winded.

The second case study is the powertrain system of a hybrid electric vehicle based on the Toyota Prius car (THS II system). This system has an electrical power supply coming from a battery and a primary energy source from an internal combustion engine.

The Toyota Prius architecture is called serial/parallel architecture. The system has an internal combustion engine and two electrical motors. Depending on the desired mode of operation, the internal combustion engine provides its mechanical power to the wheels and/or turns the generator, which in turn, drives the motor. The electrical motor can be supplied by the generator and/or by the battery. A power split device splits the power coming from the internal combustion engine between the wheels and the generator in order to use each motor in its high-efficiency region. Therefore, the overall powertrain energy efficiency is increased.

The simulation has been made in order to represent the behavior of the model for different system operation modes (starting, driving under normal conditions, sudden acceleration, braking). The results show that the behavior of the mechanical system and the electrical system was respected. The dynamic characteristics of the vehicle (acceleration, speed) are coherent for this kind of vehicle. Also, the model shows the complementarity between the Physical Modeling toolboxes to model and simulate complex electro-mechanical systems.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique". Bibliogr.: f. [148]-150. Chap. 1. Revue littéraire -- Chap. 2. Présentation de la simulation multi-domaines -- Chap. 3. Le système de propulsion hybride électrique -- Chap. 4. Description du modèle série -- Chap. 5. Résultats de simulation du modèle série -- Chap. 6. Description du modèle série/parallèle -- Chap. 7. Résultats de simulation du modèle.
Mots-clés libres: Complexe, Domaine, Electrique, Environnement, Hybride, Matlab, Matlab/Simulink, Modele, Multi-Domaine, Parallele, Propulsion, Serie, Serie/Parallele, Simulation, Simulink, Systeme, Travail
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Dessaint, Louis-A.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Bigras, Pascal
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 22 févr. 2011 20:25
Dernière modification: 02 nov. 2016 21:56
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/521

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