Renault rationalise le développement de ses futurs véhicules hybrides et électriques grâce à LMS Imagine.Lab Amesim

Véhicules hybrides : un développement complexe

Réduire les émissions de CO2 est un défi permanent. Il est devenu indispensable que tous les pays s’alignent sur les niveaux définis en commun, et cela deviendra d’ailleurs obligatoire en 2026. En vue du respect des futures normes d’émissions, il est essentiel d’électrifier les véhicules. De ce fait, pour tous les constructeurs automobiles, développer des véhicules hybrides a cessé d’être un simple plus, pour devenir une obligation.

Les motorisations hybrides sont beaucoup plus complexes que celles des véhicules équipés d’une seule source d’énergie, tels que les voitures conventionnelles ou électriques, et ce principalement en raison du grand nombre de combinaisons d’architectures possibles. Par exemple, dans les véhicules à motorisation hybride parallèle, plusieurs sources de propulsion peuvent être combinées ou utilisées indépendamment. Dans les véhicules à motorisation hybride série, seul le moteur électrique assure la propulsion, mais l’énergie électrique provient d’une autre source embarquée, telle qu’un moteur thermique.

En raison du caractère pluridisciplinaire des motorisations hybrides, les ingénieurs doivent équilibrer la puissance qui est exigée de chaque source d’énergie étudier l’incidence des autres choix de systèmes (tels que les systèmes de transmission et de refroidissement) sur les performances énergétiques du véhicule et valider les options optimales. Ce travail nécessite l’étude de nombreuses combinaisons et impose aux ingénieurs de décrire de façon détaillée les stratégies de contrôle appropriées.

Il est donc très important de pouvoir évaluer rapidement différentes architectures de motorisation hybride et de sélectionner les plus efficientes, de comparer les caractéristiques des composants, et d’évaluer leurs performances avec différents modes de conduite. La conception d’une motorisation hybride fait appel à plusieurs domaines de la physique et nécessite la collaboration de différents experts – architectes de systèmes, chefs de projets et spécialistes des applications – pendant toute la durée du processus. Pour innover, ces experts doivent surmonter la complexité et gérer les risques. Pour pouvoir gérer la complexité des produits – c’est-à-dire la complexité de leurs processus de création et celle des interactions entre tous les acteurs impliqués dans le développement et la livraison de ces produits –, il faut savoir répondre à une question simple : comment réintroduire de la simplicité dans cette complexité et livrer des produits de haute qualité dans le délai imparti et pour un coût raisonnable ?

Prendre des décisions techniques éclairées très tôt dans la phase de conception

Quatrième constructeur automobile mondial, Renault-Nissan cherche en permanence à innover et à se démarquer de ses concurrents. L’un de ses éléments différenciateurs est sa capacité à produire des véhicules écologiques pour un coût raisonnable. Le groupe Alliance Renault- Nissan s’est engagé à réduire l’impact environnemental de ses activités, ainsi que celui de ses produits pendant tout leur cycle de vie, de leur conception à leur recyclage. L’Alliance représente déjà près de 70 % des ventes mondiales de véhicules électriques, avec des voitures 100 % électriques telles que la Renault Zoe et la Nissan Leaf, et travaille à enrichir sa gamme en développant des architectures hybrides avancées.

Le prototype EOLAB constitue un premier pas dans cette direction. Compact et abordable, ce nouvel hybride rechargeable ultra-basse consommation affiche zéro émissions sur les trajets de moins de 60 kilomètres effectués à une vitesse maximum de 120 km/h. Ce véhicule hybride « Zéro Émissions » viendra compléter la gamme électrique de Renault dans les prochaines années.

Pour développer cette technologie d’avenir, l’Alliance Renault-Nissan met actuellement en oeuvre des outils et des méthodologies de conception dédiés. La société a ainsi créé un nouveau service, baptisé Test and Digital Engineering (ingénierie numérique et tests), dont la mission est de fournir au groupe les méthodes et modèles numériques d’IAO (ingénierie assistée par ordinateur) qui lui permettront de continuer à innover. L’une des équipes de ce service, forte de douze membres, est chargée de simplifier le travail des ingénieurs en mécatronique. Les exigences de ces derniers sont claires : ils ont besoin d’une plate-forme collaborative permettant d’évaluer la synthèse énergétique de n’importe quelle configuration hybride, afin de faciliter la prise de décisions lors de la phase de préconception avec boucles de validation.

Les ingénieurs doivent rapidement valider les objectifs de consommation de carburant, établir les feuilles de route du projet et dimensionner les différents sous-systèmes. Ils ont besoin d’un environnement de simulation multiphysique simple d’emploi, qui facilitera l’optimisation de l’architecture hybride choisie. Les spécialistes utiliseront la plate-forme pour la personnalisation, et les non spécialistes, pour tester rapidement différentes combinaisons de paramètres. Pour répondre à ces besoins, Renault a développé une plate-forme de simulation de la synthèse énergétique, baptisée GREEN (pour Global and Rational Energy EfficieNcy), avec l’aide des outils et des experts de Siemens PLM Software, le spécialiste mondial du PLM (gestion du cycle de vie des produits).

Une plate-forme collaborative de conception virtuelle

Développée par le service Test and Digital Engineering, la plate-forme GREEN est une interface utilisateur graphique spécialisée reliée au logiciel LMS Imagine.Lab Amesim™, aux environnements MATLAB® et Simulink® ainsi qu’à un référentiel de feuilles de calcul Excel®. Avec GREEN, les ingénieurs peuvent rapidement paramétrer les modèles, exécuter les simulations et post-traiter les résultats. La plate-forme comporte un configurateur de véhicule hybride prédéfini tout en étant exaustif. Il permet aux utilisateurs de choisir entre plusieurs architectures hybrides. Le service a aussi développé une architecture de modèle physique générique composée de sous-systèmes « paramétrables » pouvant être activés et désactivés individuellement.

Ce modèle a été créé à l’aide du logiciel LMS Amesim de Siemens PLM Software. Les stratégies de gestion de l’énergie et de contrôle de haut niveau sont prises en charge par Simulink. L’utilisateur dispose de plusieurs options : il peut notamment créer des véhicules hybrides équipés d’une boîte de vitesse manuelle, automatique, robotisée ou à double embrayage, et placer le moteur électrique sur l’essieu avant ou arrière, et avant ou après l’embrayage. Une fois l’architecture définie, les sous-systèmes peuvent être dimensionnés : par exemple, il est possible d’opter pour un moteur électrique de 30 kW ou de 50 kW, un moteur diesel de 1,6 l ou de 2 l, etc. N’importe quelle combinaison peut ainsi être facilement configurée.

Les ingénieurs peuvent ensuite définir et optimiser la stratégie de contrôle de l’énergie, en définissant quand le moteur à combustion doit démarrer, à quel niveau de couple, et quand et comment le moteur électrique doit se substituer au moteur thermique. En fonction de l’architecture qui a été définie et des sous-systèmes choisis, la fonction de post-traitement de la plate-forme GREEN optimise automatiquement les stratégies de gestion de l’énergie d’après l’architecture mécatronique sélectionnée et les paramètres des composants.

Ces possibilités permettent aux ingénieurs de sélectionner une architecture, puis de gérer et visualiser les paramètres et divers scénarios de roulage à l’aide d’un flux de travail intégré et convivial, sans devoir créer la stratégie de gestion de l’énergie. Si nécessaire, les utilisateurs plus expérimentés peuvent tester de nouvelles stratégies de gestion de l’énergie et de contrôle pour étudier des cas particuliers.

La souplesse et la puissance de la plateforme GREEN permettent aux ingénieurs de définir et valider en seulement quelques heures une architecture, ses sous-systèmes sélectionnés ainsi que les lois régissant la gestion de l’énergie. La plate-forme assure l’interconnexion entre les différents domaines de compétence et ingénieurs d’applications mobilisés pour un même projet. Grâce à l’utilisation d’un langage commun, elle facilite la communication et la prise de décisions.

« Basée sur LMS Amesim, la plate-forme GREEN a pour but de fédérer plusieurs domaines de compétence et des ingénieurs systèmes d’horizons différents. Elle permet à des équipes qui n’ont jamais travaillé ensemble de se rencontrer pour discuter de leurs problèmes d’ingénierie et y apporter des solutions communes. », commente Éric Chauvelier, responsable des méthodes et de la simulation pour les systèmes hybrides et électriques au sein du service Test and Digital. La plate-forme fournit des résultats dans les domaines de la consommation de carburant et d’énergie, des performances, des points de fonctionnement du groupe de propulsion, et du flux de l’énergie dans toute la transmission. L’outil permet aussi de réaliser facilement des études de sensibilité portant sur des caractéristiques physiques ou des paramètres de contrôle.