Estimation Consommation véhicule

Introduction

Cette page présente une formulation la plus simple possible pour estimer la consommation énergetique
d'un véhicule compte tenu de ses caractéristiques principales.
Cette approche est largement présentée sur le Web et souvent avec beaucoup plus de détails et de précisions.
Elle est ici réduite au minimum, tout en fournissant l'ensemble des valeurs nécéssaires à sa compréhension .

Ordre de grandeur

Cas d'une voiture personnelle de 1350 kg, avec conducteur seul, ayant les caractéristiques suivantes :
- un coefficient aérodynamique Cx de 0.27 et une surface frontale de 2.20 m²
- un coefficient de roulement Cr de 0.012

Pour une distance de 100 km parcourue lancée à la vitesse maintenue de 90 km/h (= 25 m/s)

- avec un facteur Ka de 35 % applicable au carré de la vitesse (exprimé en m/s)
)(S.Cx = 2.20 m² * 0.27 = 0.59) et (Ka = ½ro.S.Cx = 0.5 * 1.2 g/L * 0.59 = 35%)
. . . la résistance aérodynamique est de 220 N (35 % de 25 x 25 m/s)

- avec un facteur Kr de 12 % applicable au poids total du véhicule (exprimé en kg) (Kr = 9.81 x 1.2 %)
. . . la résistance au roulement est de 180 N (12 % de 1350+70+30 kg),

soit au total une force à appliquer au véhicule pour vaincre ces résistances de 400 N (40 kgf)
- l'énergie nécéssaire à ce déplacement s'élève à 40 MJ, (400 N * 100 km) soit 11 kWh
- la puissance de traction nécéssaire pour maintenir la vitesse de 90 km/h = 10 kW (400 N x 25 m/s) soit environ 14 CV

La consommation pour 100 km, compte tenu du rendement de la motorisation, sera de :

Pour un véhicule thermique à 28% au niveau carburant à la pompe = 40 kWh, soit 400 Wh/km,
soit en volume de carburant : 4.4 L/100km d'essence ou 4.0 L/100km de gasoil
et en production de CO2, à raison de 250 g/kWh, d'environ 10 kg, soit 100 g/km

Pour un véhicule électrique à 64% au niveau électricité au compteur = 17 kWh, soit 170 Wh/km
correspondant à une émission de CO2 de 1 kg au niveau des centrales, soit 10 g/km
sachant que l'électricité y à été produite à un taux moyen de 50 g/kWh (en France)
Pour un Mix européen produit au taux de 350 g/kWh, on passe à 6 kg, soit 60 g/km .

Variations

1/sur la vitesse moyenne :
pour une diminution à 70 km/h (sans changer les paramètres du véhicule) on obtient thermique = 3.5 L/100 et électrique = 140 Wh/km
pour une diminution à 50 km/h (sans changer les paramètres du véhicule) on obtient thermique = 2.8 L/100 et électrique = 110 Wh/km

2/Sur les caractéristiques du véhicule :
Une amélioration de 20% des paramètres utilisés dans le calcul initial amènent les résultats suivants :
à 90 km/h, pour M = 1100 kg, S = 1.8 m², Cx = 0.22, Cr = 1%, la consomation utile descend à 7 kWh
avec un rendement thermique de 32% et électrique de 76%, on obtient respectivement 2.5 L/100 et 100 Wh/km

3/les deux réductions combinées :
à 70 km/h au lieu de 90 km/h, avec ces mêmes valeurs à - 20%, on obtient respectivement 2.0 L/100 et 80 Wh/km,
soit une division par 2 de la consommation

Alors que ...
à 110 km/h, avec des performances diminuées de 20%, soit M = 1500 kg, S = 2.6 m², Cx = 0.32, Cr = 1.5%,
on grimpe allègrement à 10 L/100 en thermique et 390 Wh/km en électrique !

Ces chiffres ne sont que des approximations, étant donné la variablité du rendement moteur suivant les rapport de transmission, sa vitesse de rotation et le couple demandé, la grande variété de revêtements de chaussée , et aussi le comportement aerodynamique des carrosseries qui ne se résume pas dans la réalité à un simple coefficient .

Comparaisons avec d'autres moyens de Transport

Performance du TGV:

En utilisant des chiffres arrondis pour obtenir un ordre de grandeur, on peut retenir quelques valeurs,
La puissance des motrices est d'env. 9 MW, mais en moyenne, sur des trajets importants cette puissance n'est utilisée qu'à env. 50%
(puissance max lors des accélérations, moyenne sur la première moitié du tronçon, et quasi nulle ensuite) soit une consommation d'environ 4.5 MWh par heure de trajet
Exemple sur un Paris-Marseille (863 km parcouru en 3 heures) la consommation s'élève à env. 14 MWh,
on peut donc tabler sur une consommation moyenne de 17 kWh/km
une rame pouvant transporter 380 passagers, la conso spécifique reste inférieure à 60 Wh/km/voyageur.

pour établir une comparaison réaliste avec un VE, il est inévitable de tenir compte des temps de parcours relatifs à ces deux moyens de transport, soit
- d'une part un VE transportant 5 personnes à 90 km/h de moyenne avec une conso de 170 Wh/km
- d'autre part un TGV transportant 380 personnes à 270 km/h de moyenne avec une conso de 17 000 Wh/km
on obtient les rapports suivants: emport de 380/5 = 76x, conso de 17k/170 = 100x et durée(ou bien vitesse) de 270/90 = 3x,
soit un score final de 76 x 3 / 100 = 2.3x en faveur du TGV.

Tout ceci bien sûr avec les restrictions d'usage sur le taux de remplissage effectif des deux modes, la capacité du conducteur de VE à tenir sa conso, et les ralentissements possibles de part et d'autre. .

Calculs

La consommation en énergie d'un véhicule dépend :

d'une part du véhicule
- M : masse totale véhicule (avec passagers + carburant + baggages + marchandises)
- SCx: aérodynamique (coefficient et surface frontale)
- Kr : coefficient de roulement des pneumatiques
- R% : rendement de la motorisation

d'autre part du parcours éffectué
- D: distance parcourue
- V: vitesse moyenne (considérée comme constante dans cette estimation) (cf nota 1)
- H: dénivelé

revue de détail:

1/ la distance: proportion évidente

2/ le dénivelé: sera pris comme nul dans cette estimation,
en considérant le cas d'un aller/retour (cas majoritaire) (en première approximation)

3/ la vitesse:
détermine la durée du trajet [ T = D / V ]
s'exprime par le coefficient aérodynamique de pénétration dans l'air Cx
multiplié par la surface frontale du véhicule S et la densité de l'air ro, soit [ Ka = ½ro * S * Cx]
la force de résistance à l'air est proportionnelle au carré de la vitesse [ Fv = Ka * V² ]
la durée du trajet y étant inversement proportionnelle
il en résulte, pour un trajet donné, un travail proportionnel au carré de la vitesse
[ Ev = Fv * D ] , soit [ Ev = Ka * V² * D ]

4/ la masse:
s'exprime par le coefficient de roulement Kr, c.a.d. l'aplatissement du pneu au contact du sol formant un coin
l'effort à fournir est proportionnel au poids qui l'écrase [ Fm = M * Kr ]; il est indépendant de la vitesse
le travail à fournir est proportionnel à la distance parcourue et indépendant de la vitesse
[ Em = Fm * D ] , soit [ Em = Kr * M * D ]

5/ la durée du parcours : elle n'apparait pas à l'usage d'un véhicule comme la variable caractéristique d'un trajet.
Connaissant à l'avance la distance à parcourir, c'est la vitesse moyenne espérée du véhicule qui est retenue comme variable de base permettant d'ajuster sa consommation tout au long du parcours, la durée (T=D/V) n'étant connue qu'à l'arrivée.

Énergie à fournir :	Ev + Em = ( ( Ka * V² ) + ( Kr * M ) ) * D
Énergie consommée :	Ec = ( Ev + Em ) / R%

Rappels utiles

Unités en MKSA: et en usuel:
Temps : en seconde ou en heure (1 h = 3600 s)
Force : en Newton (anc.t kgforce) (1kgf = 9.81 N)
Puissance en Watt ou en CV (1 CV = 736 W)
Énergie : en Joule ou en kiloWattHeure (1 kWh = 3 600 000 J)
Masse : en kilogramme
Vitesse : en mètre/seconde ou en km/h (1 m/s = 3.6 km/h)
Conso : en Wh/km ou en kWh/100km

Formules de physique:
Vitesse = Distance / Temps
Puissance = Force x Vitesse
Énergie = Puissance x Temps = Force x Vitesse x Temps = Force x Distance

Valeur énergétique des hydrocarbures et taux de CO2 produit
carburants pour véhicules thermiques

Essence :	12.2 kWh/kg	à 0.75 kg/L	9.2 KWh/L	CO2: 2.3 kg/L	soit 251 g/kWh
Gasoil :	11.9 kWh/kg	à 0.85 kg/L	10.1 kWh/L	CO2: 2.6 kg/L	soit 257 g/kWh

 

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