Analyse énergétique

Intro

Dans le but d'introduire les Consommation énergétique effective (véhicule thermique) et Consommationé énergétique effective (véhicule électrique), cette page décrit l'analyse énergétique générale d'un véhicule.

Ceci se situe dans le cadre technique automobile, et plus précisément du véhicule à commande logicielle. Les notations utilisées ici en sont dérivées.

Energie de réserve

Le véhicule est porteur à tout instant t d’une quantité d’énergie de réserve X ( X(t) )  que l’on peut décomposer.

X = X_pot + X_cin + X_src      

   X_pot : énergie potentielle

   X_cin : énergie cinétique

   X_src : énergie source contenue dans des baterries ou dans du carburant

X_pot = Mgh                      

   M : masse totale du véhicule, g : constante gravitationnelle, h : altitude

X_cin = MV²/2

   V : vitesse du véhicule

X = Mgh + MV²/2 + X_src

Variation de l'énergie dans le temps

La variation de l’énergie de réserve dans le temps est donnée par :

X’ = X'_pot + X'_cin + X'_src + F 

   X' = dX / dt      

   F  = perte instantanée d'énergie par frottement (F est une quantité toujours positive)

   Tous les termes sont des puissances (exprimables en watt)

La conservation de l'énergie s'exprime par 

X' = 0

Forces de frottement

Les forces de frottement provoquent une dissipation d'énergie qui est essentiellement proportionnelle au carré de la vitesse du véhicule. 

On peut noter plus précisément que

F = f₁ v + f₂ v²/2

   f₁ : constante de frottement proportionel à la vitesse

   f₂ : constante de frottement poportionnel au carré de la vitesse

Il est par ailleurs évident que les forces de frottement sont à la fois difficiles à quantifier et surtout impossibles à éviter.

Au mieux, l'optimisation des coefficients aérodynamiques permet de minimiser leur incidence.

La variation de l’énergie de réserve dans le temps est alors donnée par :

X’ = 0 = X'_pot + X'_cin + X'_src + F

Cette formule traduit que la variation d'énergie de réserve provient de celles dues aux variations d'altitude, aux variations de vitesse, et à la consommation de l'énergie source

Dans ces formules, certains composants ne varient pas dans le temps: ce sont M, g et k. En fait k varie certainement un peu, mais cela peut être négligé.

On peut alors réécrire la formule de variation d'énergie.

X’ = 0 = Mgh’ + MVV’ + X'_src + F

   h’ : dh/dt , variation d’altitude (dérivée)

   V’ : dV/dt , variation de vitesse du véhicule (dérivée), autrement dit accélération instantanée (A). En accélération A>0. En décélération A<0.

Si le véhicule fait face à une côte déterminée par un angle α, alors sa vitesse ascensionnelle (composante verticale de la vitesse) est donnée par:

h’ = V sin(α)

   α : l'angle de la pente franchie par le véhicule. En terrain plat, α=0. En côte α>0. En pente α<0.

Et en écrivant

g_α = g sin(α)

V'(t) = A(t)

V' = A

on peut reformuler

X’ = 0 = M V ( g_α + A ) + X'_src + F

Rendement effectif (bof)

Dans l'équation générale donnée plus haut

X’ = 0 = X'_pot + X'_cin + X'_src + F

- X'_src représente un apport énergétique utilisable, tandis que X'_pos et X'_cin représentent les effets utiles (récupérables) de cet apport. 

Tandis que F est consommé, donc perdu.

Cela étant, on peu définir comme rendement effectif, le rapport

R = (X'_pot + X'_cin ) / -X'_src

Et ce rendement est un indicateur précieux utilisé plus loin.

Il suppose cependant qu'une méthode existe pour estimer F (ce qui est assez réaliste).