Simulation of an electric vehicle and its environment to study the energy consumption under different climatic conditions
Simulation d’un véhicule électrique et son environnement pour étudier la consommation d’énergie sous différentes conditions climatiques
Résumé
In the scientific literature, the energy consumption of battery electric vehicles is usually estimated by considering only the traction subsystem. However, this approach cannot consider the impact of climatic conditions on the energy consumption (and driving range). Indeed, ambient conditions have an impact on the performances of Li-ion batteries, on the power required for traction and on the energy consumption of the comfort subsystem. The combined product of these effects can strongly reduce the driving range of these vehicles. This fact represents an obstacle to the development of electric vehicles in the automotive market, especially in regions with very harsh winters (e.g., Canada). In this context, a collaboration between the University of Lille (France) and the University of Québec à Trois-Rivières (Canada) has been stablished to study the impact of climatic conditions on the energy consumption of electric vehicles.The objective of this thesis is to develop a flexible simulation tool of an electric vehicle in its environment. The tool should make it possible to study the energy performance of these vehicles over a wide range of climatic conditions. To achieve this goal, an interconnection of models from different physical domains (electrical, mechanical and thermal) is performed, following a systemic approach. The considered models correspond to the traction, thermal comfort and energy storage subsystems. The Energetic Macroscopic Representation formalism is used to organize and interconnect models of the different subsystems of the vehicle, as well as its environment. The considered ambient factors are the temperature, relative humidity and sky conditions. The validity of the simulation tool is verified with experimental tests on a real electric vehicle between -5 °C and 30 °C.The applicability of the tool is demonstrated by performing three studies on the energy consumption of an electric vehicle under different driving profiles and ambient conditions. The first study is the estimation of the individual energy impact of the considered ambient conditions on each subsystem of an electric vehicle. The second study is the estimation of the yearly variation of the energy consumption in a Canadian climate. Finally, the last study is an evaluation of the energy benefits of preheating in winter.
Dans la littérature scientifique, la consommation d'énergie des véhicules électriques à batterie est généralement estimée en ne considérant que le sous-système de traction. De plus, cette approche ne peut pas prendre en compte tous les impacts des conditions climatiques sur la consommation (et sur l’autonomie). En effet, les conditions ambiantes ont un impact sur les performances des batteries Li-ion, sur la puissance nécessaire pour la traction et sur la consommation d'énergie du sous-système de confort. Le produit combiné de ces effets peut réduire considérablement l'autonomie de ces véhicules. Ce fait constitue une contrainte au développement des véhicules électriques sur le marché automobile, notamment dans des régions aux hivers très rigoureux (exemple du Canada). Dans ce cadre, une collaboration entre l'Université de Lille (France) et l'Université du Québec à Trois-Rivières (Canada) a été établie pour étudier, entre autres, l'impact des conditions climatiques sur la consommation d'énergie des véhicules électriques.L’objectif de cette thèse en cotutelle est de développer un outil de simulation flexible d’un véhicule électrique dans son environnement. L’outil doit permettre d’étudier les performances énergétiques de ces véhicules sur une large plage de conditions climatiques. Pour atteindre cet objectif, une interconnexion des modèles de différents domaines de la physique (électrique, mécanique et thermique) est réalisée, en suivant une approche systémique. Les modèles considérés correspondent aux sous-systèmes de traction, de confort thermique et de stockage (avec le chargeur de batteries). Le formalisme Représentation Énergétique Macroscopique est utilisé pour organiser et interconnecter de façon causale les modèles des différents sous-systèmes, ainsi que de l’environnement du véhicule. Les facteurs ambiants considérés dans l’outil sont la température, l’humidité relative et les conditions du ciel. De plus, la validité de l’outil est vérifiée avec des tests expérimentaux sur une voiture réelle entre -5 °C et 30 °C.La pertinence de l’outil est mise en évidence avec la réalisation de trois études sur la consommation d’énergie d’un véhicule électrique sous différents profils de conduite et conditions ambiantes. La première étude est l’estimation de l’impact énergétique individuel des conditions ambiantes considérées sur chaque sous-système d’un véhicule électrique. La deuxième étude est l’estimation de la variation annuelle de la consommation d’énergie dans un climat canadien. Enfin, la dernière étude est une évaluation des avantages énergétiques du préchauffage en hiver.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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