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Étude expérimentale et optimisation d'un système hybride hydraulique pour camions à ordures et amélioration des performances par raffinement de sa logique de contrôle

Lacroix, Benoit (2011). Étude expérimentale et optimisation d'un système hybride hydraulique pour camions à ordures et amélioration des performances par raffinement de sa logique de contrôle. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le but de cette thèse est de faire la démonstration expérimentale du fonctionnement d’un système hybride hydraulique spécifiquement dédié à l’application des camions à ordures en plus de proposer des solutions pour raffiner sa logique de contrôle. Le système hybride développé permet de récupérer l’énergie cinétique du véhicule durant le freinage. Un moteur hydraulique à déplacement variable utilise ensuite l’énergie emmagasinée sous la forme d’un fluide pressurisé dans un accumulateur hydraulique pour assister le moteur à combustion interne (MCI) à des moments opportuns. L’aspect particulier de ce système est que l’assistance au MCI peut avoir lieu lorsque celui-ci fonctionne au ralenti et qu’il entraîne l’équipement auxiliaire hydraulique du camion à ordures.

Essentiellement, la stratégie de contrôle consiste à maximiser la récupération de l’énergie au freinage et à utiliser cette énergie pour minimiser l’utilisation du MCI à l’arrêt. Les résultats expérimentaux obtenus avec deux prototypes opérés en conditions d’utilisation réelles démontrent que le système hybride permet de récupérer une portion appréciable de l’énergie récupérable durant le freinage. De plus, les résultats prouvent qu’il est possible de réduire la charge au MCI durant le ralenti avec l’application d’un couple d’assistance. Cependant, l’avantage d’assister le MCI dans des zones précises de la plage d’utilisation est mince puisque l’efficacité brute du MCI varie peu selon les conditions d’opération. Cela est confirmé à l’aide d’un exercice d’optimisation de la logique de contrôle à l’aide de la programmation dynamique déterministe. En effet, en gérant la pression dans l’accumulateur pour maximiser la quantité d’énergie récupérée au freinage et en dosant l’assistance au MCI de façon idéale, la politique optimale ne réussit à améliorer l’économie de carburant que de 6 % par rapport au contrôle initial. Par conséquent, étant donné que les efforts requis pour imiter le comportement idéal en temps réel sont considérables pour un gain relativement faible et incertain, la logique de contrôle initiale est considérée comme étant quasi-optimale.

Finalement, cette thèse propose une version améliorée du système hybride assistant le MCI qui permettrait d’éteindre le MCI lorsque le véhicule est arrêté tout en maintenant fonctionnel l’équipement auxiliaire hydraulique. Un exercice d’optimisation de la logique de contrôle indique qu’une gestion adéquate de la pression dans l’accumulateur permettrait d’éteindre le MCI la plupart du temps à l’arrêt et ainsi d’engendrer une augmentation de l’économie de carburant de plus de 40 % par rapport au système original. L’évaluation par simulation d’une logique de contrôle élémentaire démontre qu’une telle stratégie de gestion de la pression serait réalisable en temps réel et que le gain potentiel d’économie de carburant est atteignable.

Titre traduit

Experimental study and optimization of a hydraulic hybrid system for refuse trucks and improvements in performance through refinement of its control logic

Résumé traduit

The aim of this thesis is to demonstrate experimentally the operation of a hydraulic hybrid system specifically dedicated to the application of refuse trucks in addition to proposing solutions to improve its control strategy. The developed hybrid system recovers the vehicle's kinetic energy during braking. A variable displacement hydraulic motor then uses the energy stored in a hydraulic accumulator to assist the internal combustion engine (ICE) at suitable times. The particular aspect of this system is that assistance to the ICE can occur when it operates at idle and drives the auxiliary hydraulic equipment of the refuse truck.

Essentially, the control strategy initially developed maximizes the recovery of braking energy and uses that energy to minimize the solicitation of the ICE at idle. The experimental results obtained with two prototypes tested in real operating conditions show that the hybrid system can recover a significant portion of braking energy. In addition, the results show that it is possible to reduce the load on the ICE during idle with the application of an assisting torque. However, the advantage of assisting the ICE in specific areas of the operating range is slim since the ICE's gross efficiency varies only slightly depending on conditions of operation. This is confirmed by the optimization of the control logic using deterministic dynamic programming. Indeed, by managing the pressure in the accumulator to maximize the amount of energy recovered during braking and by dosing the assistance to the ICE in deal fashion, the optimal control only managed to improve fuel savings by 6% in comparison to the original control. Therefore, since the efforts that would be required to emulate the ideal behavior in real time are significant for a relatively small and uncertain gain, the initial control logic is considered near optimal.

Finally, this thesis proposes an improved version of the torque assisting hybrid system that could shut down the ICE when the vehicle is stopped while maintaining functional the auxiliary hydraulic equipment. An optimization of the control logic indicates that proper management of the pressure in the accumulator would allow turning off the ICE most of the time at stop and thus, would increase the fuel savings by over 40% compared to the original system. The simulation of a basic control strategy shows that such pressure management may be feasible in real time and that the potential gain in fuel savings is achievable.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 117-122.
Mots-clés libres: Véhicules de collecte des déchets Moteurs Conception et construction. Véhicules hybrides. Énergie hydraulique. Freinage (Conduite automobile) Programmation dynamique. logique, système hybride, hydraulique, contrôle, camion à ordures
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Liu, Zhaoheng
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 juill. 2014 19:46
Dernière modification: 23 févr. 2017 21:38
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/898

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