Un système d'entraînement hybride hydraulique/servo est une chaîne cinématique qui associe des pompes/moteurs hydrauliques servocommandés à des accumulateurs. Les pompes/moteurs entraînent la machine, tandis que les accumulateurs stockent l'énergie de freinage pour une utilisation ultérieure. Son rôle principal est de réduire la consommation de carburant et d'améliorer le rendement grâce à la transmission hydrostatique et au freinage régénératif. Selon les données de l'EPA rapportées par STLE, ces systèmes peuvent récupérer 70 % ou plus de l'énergie de freinage qui serait autrement dissipée sous forme de chaleur. Cinq éléments assurent cette fonction : le moteur, le groupe motopropulseur, les pompes/moteurs, les accumulateurs et la carte de commande électronique. Chaque élément détermine la manière dont le système d'entraînement hybride hydraulique/servo délivre la puissance et la conception de son électronique de commande.
Points clés à retenir
Les systèmes hydrauliques hybrides permettent de réaliser des économies de carburant et d'allonger la durée de vie des freins en récupérant l'énergie lors du freinage.
Les servomoteurs à pompes constantes augmentent l'efficacité dans toutes les conditions de conduite.
Les accumulateurs stockent l'énergie de freinage pour une utilisation ultérieure, ce qui réduit la consommation de carburant.
Une bonne conception de carte électronique permet de séparer les circuits haute puissance des circuits sensibles, contribuant ainsi à prévenir les pannes.
Vérifiez régulièrement les paramètres de précharge de l'accumulateur et de dithering pour assurer le bon fonctionnement du système.
Architecture du système d'entraînement hybride hydraulique/servo
Moteur, groupe motopropulseur et pompes/moteurs
Le moteur produit de l'énergie mécanique. Le groupe motopropulseur transforme cette énergie et la transmet aux pompes/moteurs. Une pompe/un moteur à servocommande convertit l'énergie mécanique en énergie hydraulique, et inversement. Un accumulateur haute pression maintient le fluide sous pression pour une utilisation ultérieure.
Ces pièces remplacent la boîte de vitesses, le convertisseur de couple et l'arbre mécanique d'une transmission classique. La puissance est transmise du moteur à l'unité d'entraînement, puis aux pompes/moteurs, et enfin aux roues ou à l'outil. Lors du freinage, le flux s'inverse.
Un système d'entraînement servo-hydraulique comprend généralement une pompe à débit constant, un servomoteur et un convertisseur intégrant un logiciel servo-hydraulique. Le convertisseur gère les boucles de régulation de pression et de débit, ce qui dispense le système d'utiliser une armoire hydraulique séparée.
Remarque : Un servomoteur ne consomme de l’énergie que lorsque la machine en a besoin. Un moteur standard fonctionne en permanence et gaspille de l’énergie dans un circuit hydraulique classique.
Accumulateurs et stockage d'énergie
Un accumulateur haute pression est un récipient étanche contenant un fluide hydraulique sous pression de gaz comprimé. Il sert de tampon entre l'offre et la demande. La pression de gaz détermine la plage de pression de fonctionnement.
L'accumulateur absorbe les pics de débit lors des accélérations et restitue le fluide lors des pics de charge. Ceci permet au moteur de fonctionner à un régime plus stable. Son dimensionnement dépend de la plage de pression et du volume de fluide que le circuit doit échanger lors de chaque freinage.
Comparaison des configurations de groupes motopropulseurs
Le tableau ci-dessous compare trois configurations courantes en termes d'efficacité énergétique.
Configuration du système | L'efficacité énergétique |
|---|---|
Moteur standard + pompe à débit constant | Low |
Moteur standard + pompe à vitesse variable | Moyenne |
Servomoteur + pompe à débit constant | Haute |
Une pompe à cylindrée variable ajuste le débit par tour. Une pompe à cylindrée constante avec servomoteur intégré ajuste la vitesse, quant à elle. Cette dernière solution garantit un rendement élevé sur toute la durée de fonctionnement.
Ce système intègre un actionneur, un servomoteur, un variateur, un contrôleur et un logiciel. Les ingénieurs doivent adapter le débit à la pression cible. Il est important de ne pas surdimensionner la pompe, car un débit trop important réduit le rendement à charge partielle.
Modes de technologie hybride hydraulique et servo-entraînement
Transmission hydrostatique à basse vitesse
À basse vitesse, le moteur actionne la pompe, qui alimente les moteurs-pompes situés au niveau des roues en fluide sous pression. Le véhicule se déplace alors uniquement par propulsion hydraulique. Un contrôleur embarqué coordonne les pompes, les moteurs hydrostatiques et les accumulateurs pour assurer la propulsion en mode hydrostatique. La conception du système optimise le rendement en adaptant la charge du moteur aux besoins du véhicule. Il utilise l'énergie de freinage stockée pour l'accélération avant de passer à la transmission mécanique à vitesse autoroutière.
Ce mode est idéal pour la conduite en ville avec ses arrêts et redémarrages fréquents. Le moteur maintient un régime plus stable, évitant les à-coups à chaque démarrage. Le freinage régénératif reste disponible en permanence et l'énergie récupérée est restituée au prochain démarrage. Le tableau ci-dessous illustre la correspondance entre les plages de vitesse et les modes de conduite.
Plage de vitesse | Mode conduite | Caractéristiques |
|---|---|---|
0-25 mph | Transmission hydrostatique à deux vitesses (basse vitesse) | Conduite urbaine ; récupération d’énergie au freinage assistée |
26-45 mph | Transmission hydrostatique à deux vitesses (haute vitesse) | Le fonctionnement hydrostatique se poursuit ; la récupération d'énergie au freinage est prise en charge |
45+ mph | Entraînement mécanique direct | Fonctionnement efficace à haute vitesse ; passage de vitesses automatique fluide ; récupération de l'énergie de freinage grâce à la pompe primaire qui reste connectée à l'arbre de transmission et fonctionne comme une pompe, appliquant un couple et chargeant l'accumulateur. |
Une configuration hydrostatique à deux vitesses permet au contrôleur de maintenir la pompe et le moteur dans une plage de fonctionnement efficace sur toute la plage de basses vitesses.
Transmission mécanique directe à haute vitesse
Au-delà du point de basculement, la transmission s'enclenche en mode mécanique. La puissance du moteur parvient aux roues avec moins d'étapes de conversion, réduisant ainsi les pertes à vitesse d'autoroute. Le passage des vitesses est automatique et imperceptible pour le conducteur. La pompe primaire reste couplée à l'arbre de transmission. Lors de la décélération, son rôle s'inverse : elle applique un couple de freinage et recharge l'accumulateur, assurant ainsi une récupération d'énergie continue même en mode mécanique.
Le système hybride électrohydraulique de Kawasaki illustre comment la régulation du débit permet cette séparation. Une pompe à cylindrée variable alterne entre un fonctionnement à grand débit et un fonctionnement à faible débit. En cas de haute pression, le débit de la pompe diminue. Le couple requis diminue et la puissance du moteur peut être réduite en conséquence. L'adaptation du débit aux conditions de pression permet de conserver un ensemble compact.
Sélection de la logique de commutation et du mode
Le contrôleur détermine le point de commutation en fonction de la vitesse du véhicule, de la pression et de la demande. L'hystérésis autour du seuil évite les oscillations entre les modes. Il est recommandé de vérifier la transition en charge et à vide avant la mise en service.
Critère | Mode hydrostatique | Mode mécanique |
|---|---|---|
Bande de vitesse | Faible à moyen | Haute |
Récupération d'énergie | Continu | En continu via la pompe connectée |
Meilleure utilisation | cycles de démarrage-arrêt | Croisière stable |
Ces modes offrent des avantages supplémentaires : un faible niveau sonore, une réduction de la chaleur dégagée et un nombre moindre de vannes dans le circuit hydraulique. Ensemble, ils permettent des entraînements hautement dynamiques et précis grâce à la technologie hybride hydraulique et servo-hydraulique.
Actionneurs servo-hydrauliques et freinage régénératif
Capture de l'énergie cinétique dans les accumulateurs
Lors du freinage, les servomoteurs hydrauliques changent de fonction. Le contrôleur active le mode pompe. L'inertie de la machine entraîne la rotation de l'arbre, et l'unité refoule le fluide dans l'accumulateur haute pression. Grâce à un réglage précis du plateau oscillant ou de la vanne, le système applique le couple de freinage de manière progressive.
Les servomoteurs électrohydrauliques réagissent en quelques millisecondes, assurant ainsi une force de freinage parfaitement adaptée à la pédale du conducteur ou à la commande. La charge de l'accumulateur augmente avec la puissance de freinage, laquelle croît avec l'inertie totale et le carré de la vitesse de la machine. Les servovérins assurant les fonctions de levage ou de direction peuvent récupérer de l'énergie de la même manière.
Conseil : Vérifiez la pression de précharge de l’accumulateur avant chaque essai. Une charge de gaz insuffisante réduit la capacité de stockage et augmente la température du fluide.
Réutilisation de l'énergie stockée lors de l'accélération
Au prochain démarrage, la pression accumulée augmente la puissance du moteur. Le contrôleur ouvre le circuit de l'accumulateur et le fluide sous pression actionne la pompe/le moteur ou un actionneur hydraulique directement. Ce surcroît de puissance réduit le couple que le moteur doit fournir.
Le cas de l'actionneur linéaire hybride illustre clairement le principe. L'énergie de freinage d'un axe de machine alimente un système embarqué, tel qu'un circuit de levage ou de serrage, au lieu d'être renvoyée au moteur. Les actionneurs linéaires hybrides réduisent ainsi la consommation de carburant et le temps de cycle. Les servomoteurs linéaires, dotés d'une commande programmable de position et de force, appliquent la pression relâchée avec un contrôle précis de la force et de la vitesse.
Comparaison des voies de récupération d'énergie
Le tableau ci-dessous compare deux voies de récupération en fonction de la réponse et de la complexité du circuit.
Chemin de récupération | Réponse | Complexité des circuits |
|---|---|---|
stockage par accumulateur | Rapide et direct | Modérée |
Chaîne de conversion plus lente | Meilleure performance du béton |
Le stockage par accumulateur est idéal pour les cycles de forte puissance et de courte durée. Un servomoteur entraînant une pompe offre une plus grande flexibilité de débit, et le débit variable permet au régulateur d'adapter le débit à la demande. Choisissez le circuit qui correspond au cycle de service, puis dimensionnez l'accumulateur ou le système de stockage en conséquence.
Actionneurs servocommandés : conception et fabrication au niveau de la carte
Commande de solénoïdes et de servovalves par modulation de largeur d'impulsion (PWM)
Un solénoïde proportionnel convertit le courant de la bobine en force. La résistance du cuivre augmentant avec la température, le courant et la force dérivent, sauf si le circuit de commande ferme la boucle. Il est recommandé de concevoir l'étage PWM avec une régulation de courant interne en boucle fermée. Déterminez le courant maximal consommé à la température de bobine la plus élevée prévue et à la tension d'alimentation la plus basse, car l'échauffement réduit la puissance de sortie.
Le dithering assure le mouvement de la bobine pour de faibles variations de tension. Le frottement statique peut bloquer la vanne, et une vibration infime, imperceptible, suffit à l'arrêter. Les drivers à vanne sont souvent préréglés en usine sur la fréquence, l'amplitude, la zone morte et le mode d'entrée du dithering. Les drivers universels doivent impérativement proposer ces paramètres. Évitez la commande de bobine par rhéostat : elle engendre une consommation excessive d'énergie, génère de la chaleur et ne fournit aucun retour d'information sur le dithering ou le courant, ce qui provoque une dérive de l'hystérésis hors des limites spécifiées.
Des transducteurs de pression et de débit complètent la boucle externe. Ils acceptent des entrées analogiques provenant d'un PLC ou contrôleur, notamment 0-5 VCC, 0-10 VCC et 4-20 mA. La boucle de courant élimine les interférences sur les longs câbles. Le retour d'information sur la position de la bobine stabilise le fonctionnement et prend en charge le tramage du pilote.
Paramètre | Action de conception |
|---|---|
Fréquence de tramage | Adapté aux spécifications de la vanne ; visible comme réglable sur les drivers universels |
Amplitude de dithering | Veillez à ce que cela reste discret ; vérifiez l’absence de dépassement de la bobine. |
Boucle de courant | Fermeture interne pour une force répétable |
Mode d'entrée | Prise en charge des entrées de tension et de courant de 4 à 20 mA |
Conseil : vérifiez les paramètres de dithering sur la vanne elle-même, et non pas seulement dans la fiche technique. Les faibles signaux de commande provoquent d’abord des frottements statiques.
Compromis liés au partitionnement, à la protection et à la fabrication de circuits mixtes
Les circuits de commande de solénoïdes à courant élevé et les circuits de servocommande de précision partagent une même carte ; il est donc recommandé de les séparer par zone. Prévoyez une large piste de cuivre, un plan de retour direct et un routage de shunt Kelvin pour le pont en H. Réservez une zone de masse silencieuse avec un découplage dense pour le microcontrôleur ou le FPGA. Éloignez les paires différentielles de l'encodeur des bords de commande de grille et des vias d'alimentation. Prévoyez des fentes de fuite et un espacement isolé pour les convertisseurs CC-CC au niveau de la barrière de sécurité. Une séparation insuffisante entre les boucles de commutation et les circuits de détection est la principale cause de défaillance.
La protection suit la même règle. Mesurez le courant au niveau du shunt, ajoutez une limitation de court-circuit et prévoyez des chemins de roue libre et de retour pour chaque charge inductive. Dimensionnez la puissance en additionnant les courants simultanés des canaux, la consommation du contrôleur et la marge. Calculez la chute de tension à travers la source, la protection, le connecteur, le cuivre, le via, le câble et le retour, puis vérifiez-la en mesurant au niveau du connecteur chargé. Placez des condensateurs de filtrage à l'entrée du rail et aux dérivations présentant des variations de charge rapides.
L'isolation entre le circuit hydraulique et la logique de commande assure la protection des deux. La protection contre l'inversion de polarité, les surtensions et les surintensités doit être adaptée à la source d'énergie et aux défauts potentiels du faisceau. Pour la fabrication (DFM), le choix de l'épaisseur et de la structure du cuivre dépend du courant, de l'élévation de température et de la densité de routage. Il convient ensuite de confirmer les espacements et les règles de vias avec le fabricant.
Remarque : Les broches de connecteur partagées et les fines pistes de masse modifient la référence logique locale par le biais d'un courant transitoire, provoquant des réinitialisations.
Conception thermique et vérification des défauts
Reliez les pastilles exposées au cuivre continu à l'aide d'un réseau de vias thermiques, puis mesurez la carte assemblée sous les conditions de mouvement les plus défavorables. Notez la tension d'entrée, les canaux actifs, la charge mécanique, le flux d'air, l'état du boîtier, la température ambiante et la durée de maintien pour chaque mesure. Comparez les points chauds aux limites du composant et à la politique de réduction de puissance. Vérifiez les intensités nominales par canal ; certaines cartes multicanaux délivrent un courant total bien inférieur à celui indiqué par le nombre de canaux. Les cartes 24 V doivent être protégées contre l'inversion de polarité et la surchauffe.
Lorsqu'un défaut apparaît, reproduisez-le avec la combinaison exacte d'articulations, d'accélération et de charge. Mesurez la tension minimale d'alimentation et la durée du transitoire à des points de test locaux disposant d'une bande passante suffisante. Corrélez la tension d'alimentation, la réinitialisation, le signal de commande et la sortie de défaut sur une base temporelle commune. Isolez les causes en testant un actionneur à la fois et en réacheminant les câbles. Relancez le mouvement dans le cas le plus défavorable dans les conditions de tension d'entrée et de température prévues pour confirmer la correction.
Avantages, limites et contexte du marché
Économies de carburant, durée de vie des freins et entretien
Les chiffres concrets issus des flottes de camions à ordures démontrent l'ampleur des gains possibles. La ville de Miami fait état d'économies de carburant de 51 % grâce au système Parker RunWise, tandis que le comté de Miami-Dade enregistre 45 %. Ce même système permet d'économiser entre 20 et 30 gallons de carburant par jour, selon la densité des tournées et l'utilisation du camion. Parker revendique des économies d'environ 50 % pour différentes applications.
La durée de vie des freins s'en trouve également considérablement améliorée. La plupart des camions à ordures nécessitent un remplacement des freins 3 à 4 fois par an. Les registres de la flotte de la ville de Miami montrent que certains freins ont fonctionné pendant plus de 6 ans sans intervention. José Davilla, directeur de la ville de Miami, indique que les économies réalisées sur l'entretien des freins atteignent 81 000 $ après 6 ans, sur un cycle de vie de 10 ans.
Métrique | Valeur |
|---|---|
Économies de carburant, Ville de Miami | 51 % |
Économies de carburant, comté de Miami-Dade | 45 % |
Économies sur l'entretien des freins, garantie de 6 ans | $81,000 |
Remplacement de freins de base | 3 à 4 fois par an |
Intervalle d'entretien des freins atteint | Plus de 6 ans, intact |
Les actionneurs électrohydrauliques hybrides surpassent les systèmes hydrauliques traditionnels à plusieurs égards. Leur conception à puissance à la demande permet une consommation d'énergie plus efficace qu'un moteur fonctionnant en continu. La servocommande intégrée assure un contrôle précis de la position, de la vitesse et de la force. Entièrement étanche et en circuit fermé, ils ne nécessitent aucun remplissage de fluide, et un filtre intégré d'une durée de vie supérieure à 8 000 heures garantit un fonctionnement sans entretien. Ces unités supportent les chocs et les charges latérales, et peuvent atteindre une force de 667 kN (150 000 lb).
Conseil : lors de l’évaluation des solutions de motorisation hybride, comparez les intervalles d’entretien et pas seulement le prix d’achat.
Compétition et capacités indépendantes du carburant
L'énergie électrique est en concurrence directe avec l'énergie hydraulique dans certaines catégories de machines. Le coût des batteries, l'infrastructure de recharge et l'adéquation au cycle de service sont déterminants. Les systèmes hydrauliques présentent un avantage dans les applications à forte force et à fort choc, où un actionneur linéaire hybride offre une densité de puissance 300 % supérieure à celle d'un actionneur électromagnétique de taille comparable.
L'utilisation de n'importe quel carburant est un atout majeur. Le moteur accepte le diesel, le gaz naturel ou d'autres carburants sans nécessiter de modification du circuit hydraulique. Un actionneur linéaire hybride, ainsi que d'autres actionneurs linéaires hybrides, récupèrent l'énergie de freinage quel que soit le carburant utilisé. Deux réglages de cylindrée sur la pompe permettent de maintenir la compacité de l'ensemble quelles que soient les conditions de pression. Les ingénieurs doivent prendre en compte le cycle de service et l'infrastructure avant de choisir entre une solution électrohydraulique et une solution électrique à batterie.
Limitations et contraintes de conception
Le dimensionnement de l'accumulateur limite la quantité d'énergie stockée par le système lors d'un freinage. Une faible précharge de gaz réduit la capacité et augmente la température du fluide. L'encombrement impose également des contraintes de conception, car les réservoirs haute pression nécessitent de l'espace et une protection structurelle.
La complexité de la commande augmente avec le changement de mode. Le contrôleur doit gérer l'hystérésis, les plages de pression et la réponse aux défauts sur l'ensemble du variateur. Il est recommandé de vérifier le comportement de transition en charge et à vide avant la mise en service.
La conception permet deux modes de conduite. Ces modes, associés au freinage régénératif, permettent de réaliser des économies de carburant et de maintenance. La carte de commande transforme cette capacité en un mouvement précis et répétable.
Pour les ingénieurs, le système de transmission hybride hydraulique/servo offre une chaîne cinématique fonctionnant avec n'importe quel carburant et facile à entretenir. Sa couche électronique nécessite toutefois une conception thermique et un partitionnement des signaux mixtes particulièrement soignés. Ces deux aspects doivent être considérés comme prioritaires et ne pas être négligés.
Les normes d'émissions plus strictes favorisent les transmissions consommant moins de carburant et récupérant l'énergie au freinage. Les équipes maîtrisant à la fois les aspects hydrauliques et électroniques constateront que la plateforme se prête parfaitement à cette évolution. Un travail de conception soigné à ce niveau s'avère payant sur la durée de vie de la machine.
QFP
Comment vérifier la précharge de l'accumulateur avant un essai ?
Avant chaque utilisation, vérifiez la pression du gaz par rapport à la plage spécifiée. Une pression insuffisante réduit la capacité de stockage et augmente la température du fluide. Relevez la valeur sur le circuit hydraulique et notez-la à côté des conditions de test. Procédez à nouveau à cette vérification après toute intervention nécessitant l'ouverture du réservoir.
Pourquoi un pilote de solénoïde proportionnel a-t-il besoin d'une modulation de largeur d'impulsion (PWM) ?
Le frottement statique peut bloquer le tiroir de la vanne lors de faibles variations de tension. Une légère vibration, imperceptible, assure le mouvement du tiroir. Réglez la fréquence et l'amplitude de la modulation selon les spécifications de la vanne et assurez-vous qu'elles soient toutes deux réglables sur les contrôleurs universels. Vérifiez les réglages directement sur la vanne, et non uniquement sur la fiche technique.
Comment répartir les circuits de commande de solénoïdes à courant élevé et les circuits servo de précision sur une seule carte ?
Divisez la carte en zones . Prévoyez une large piste de cuivre, un plan de retour direct et un routage pour le shunt Kelvin du pont en H. Réservez une zone de masse silencieuse avec un découplage dense pour le contrôleur. Éloignez les paires différentielles de l'encodeur des fronts de commande des grilles. La plupart des pannes proviennent d'une séparation insuffisante entre les boucles de commutation et les circuits de détection.
Que devez-vous vérifier avant de commercialiser un lecteur à commutation de mode ?
Tester la transition avec le variateur chargé et déchargé. Vérifier que l'hystérésis autour du point de commutation cesse d'osciller entre les modes. Synchroniser la tension d'alimentation, la réinitialisation, le signal de commande et la sortie de défaut. Relancer le cycle de fonctionnement dans les conditions les plus défavorables, en respectant les conditions de tension d'entrée et de température prévues, avant la mise en service.
