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Les ferries hybrides flexibles ont besoin d'une nouvelle approche de conception

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Comme l'adoption de la propulsion hybride augmente, une approche plus souple de l'ingénierie et de la conception des navires hybrides est nécessaire

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Présenté par des chercheurs de Damen Shipyards au congrès du CIMAC à Vancouver en juin, un nouvel article intitulé Holistic Functional Design and System Testing : Hybrid Road Ferry propose un modèle alternatif de conception et de développement basé sur des itérations d'ingénierie dont la portée et la complexité augmentent au fur et à mesure que l'information disponible et la compréhension des paramètres du projet augmentent.

En intégrant les tests Hardware-in-the-Loop, la fonctionnalité des systèmes peut être vérifiée avant l'installation, ce qui permet une mise en service plus rapide et plus économique, notent les auteurs.

Chaque itération devrait s'appuyer en grande partie sur des simulations et des résultats d'essais, avec des modèles de plus en plus complexes - et précis - utilisés pour répondre aux demandes des concepteurs et pour répondre aux questions qui se posent à différentes étapes du développement du produit, indique le document.

Les principaux avantages de cette approche sont qu'elle permet une certaine souplesse quant au temps et aux coûts d'investissement à mesure que le projet progresse à travers les différentes étapes. Le concepteur n'a qu'à faire un effort relativement minime à l'étape de la proposition, et une fois qu'un contrat est en place et qu'un budget et un temps plus importants sont disponibles, on peut s'en servir pour élaborer le niveau de détail requis. Un autre avantage est que les itérations de conception sont élaborées en fonction de la rétroaction et des constatations réelles. Cela permet des considérations de conception flexibles et l'optimisation des composants et des fonctionnalités sur la base de tests unitaires, d'intégration, système et Hardware-in-the-Loop (HIL).

L'article, rédigé par Erik-Jan Boonen, ingénieur de recherche principal de Damen, et Edward Sciberras et Katerina Xepapa, ingénieurs de recherche, ont présenté un prototype d'application de cette nouvelle approche sur le traversier routier hybride 8117E3 (DRFe 8117 E3) de Damen.

Le nouveau processus de conception

La première étape du processus de développement a consisté à choisir la topologie hybride du navire, l'outil principal d'évaluation étant l'utilisation de simulations. Trois options ont été envisagées : des hélices diesel classiques avec des génératrices diesel séparées pour les charges auxiliaires (diesel-direct) ; une combinaison de moteur diesel et de moteur électrique couplé pour entraîner les hélices, avec des groupes électrogènes séparés pour fournir la puissance électrique nécessaire (propulsion hybride) ; et des moteurs électriques entraînant uniquement les hélices et des génératrices diesel et un bloc batterie fournissant la puissance électrique nécessaire (alimentation hybride).

L'évaluation était basée sur la redondance, la flexibilité, l'opérabilité, les coûts d'exploitation et la pérennité, et l'option d'alimentation hybride a été choisie sur cette base, l'opérabilité étant le critère le plus décisif. Les auteurs de l'article ont noté que ces critères sont de haut niveau et, dans certains cas, subjectifs, les données utilisées pour faire la sélection étant très élémentaires. Ils notent : "[A ce stade] pour obtenir un navire avec le meilleur équilibre des attributs, l'expérience et la connaissance du produit sont essentielles. La simulation ne servait qu'à quantifier et comparer les performances opérationnelles entre les configurations."

L'étape suivante consistait à choisir les machines principales. Un propulseur orientable à double hélice a été choisi comme propulseur en fonction de sa maniabilité et de son efficacité. La puissance de sortie a été déterminée par la vitesse de navigation et les capacités de maintien à poste requises pour le navire. Le cahier des charges imposait que les génératrices soient capables de fonctionner à 85 % de leur charge lorsqu'elles naviguent à pleine vitesse, les machines sélectionnées ayant une vitesse fixe de 1 200 tr/min. La batterie a été choisie sur la base d'une évaluation opérationnelle, qui a identifié une capacité de batterie de 800 kWh avec une option d'extension à 2 000 kWh, ce qui a été considéré comme donnant une bonne taille de stockage d'énergie, permettant un fonctionnement potentiel uniquement électrique.

L'étape suivante, décrite comme la " conception en fonction du service ", consistait à établir les détails des opérations quotidiennes du traversier. Jusque-là, les choix de conception avaient été faits en fonction de conditions de conception qui ne se produisent presque jamais en fonctionnement normal, selon le document. La fonctionnalité du système de propulsion devait être définie pour les opérations quotidiennes du navire, l'exigence principale étant de minimiser le coût total de possession pour ce que le document décrit comme l'"usage général du traversier routier" du navire. Les principaux modes d'exploitation du navire ont été définis comme suit : le (dé)chargement (lorsque les passagers embarquent ou débarquent pendant que le navire est amarré), les manœuvres (entrée ou sortie du port) et le transit (navigation à une vitesse constante).

Il a été conclu que le "but général du transbordeur routier" du navire serait des voyages avec un temps de transit de 10 à 45 minutes, un temps passé au port compris entre 10 et 15 minutes et des heures de repos variables. La vitesse de navigation variait entre 8 et 14 nœuds. Les deux modes opérationnels de (dé)chargement et de transit ont permis de déterminer la consommation d'énergie principale du navire. Dans l'ensemble, cela donne une grande variété de profilés avec de nombreuses combinaisons possibles. La minimisation du coût total de possession (TCO) a donc été basée sur une enveloppe opérationnelle plutôt que sur un profil unique. Cela signifiait que la fonctionnalité du système devait pouvoir s'adapter à l'intérieur de cette enveloppe opérationnelle pour produire le coût total de possession le plus bas. Le navire aurait un large éventail de conditions opérationnelles, l'interopérabilité étant l'une de ses principales exigences fonctionnelles.

Contrôle basé sur des règles

Vint ensuite la définition du système de gestion de l'énergie (SGE) du navire, qui contrôle la répartition de la puissance entre les batteries et les génératrices diesel. Le contrôle fondé sur des règles a été utilisé en raison de la complexité moindre et du comportement prévisible. Le comportement du système hybride devait être adapté aux opérations quotidiennes afin de maximiser les avantages du système, tout en étant capable de répondre aux exigences fonctionnelles. Le modèle de simulation initial a donc été mis à niveau avec les détails les plus récents du projet, et plusieurs stratégies ont été évaluées en fonction de paramètres de comparaison, soit l'usure des génératrices, la durée de vie des batteries et les coûts du combustible. Un compromis a dû être trouvé entre une stratégie d'avant-garde (dans laquelle la génératrice est la source d'énergie principale) et une stratégie d'avant-garde (dans laquelle la batterie est la source d'énergie principale). Différentes stratégies ont été évaluées à l'aide du modèle de simulation de navire, avec un contrôleur de gestion de l'énergie adapté permettant d'ajuster les paramètres pertinents pour chaque stratégie.

La dernière étape incluse dans le document consistait à tester le système de commande embarqué à un niveau fonctionnel. Cela a été fait au moyen d'un test HIL. Le modèle de simulation a nécessité une autre adaptation pour permettre une communication en temps réel avec l'automate programmable (API) qui fait fonctionner le système de commande.

Le modèle de système électrique hybride utilisé pour l'évaluation de la stratégie du SME a été modifié de cette façon afin que l'automate programmable exécutant le SME puisse être connecté à la simulation, recevant les entrées tout en retournant les paramètres du système virtuel à son tour. Cela a permis de tester le SME sur un système virtuel avant son application sur le navire, dans un environnement beaucoup moins risqué et avec l'émulation de conditions qui seraient difficiles à tester dans la vie réelle.

Les essais ont porté sur la fonctionnalité et le séquençage du module du système de gestion de l'alimentation (PMS) du navire. Les tests effectués ont fourni une plate-forme de débogage pour le programme PMS, avec un certain nombre de bogues identifiés et corrigés. Un grand nombre de conditions de défaillance ont également été testées, comme la simulation des signaux de défaillance de la batterie et la vérification que la réponse du système PMS était conforme aux attentes. L'utilisation de cette plate-forme d'essai HIL a permis d'améliorer et de fiabiliser le système avant le début de la mise en service à bord, selon les auteurs du document.

Les auteurs ont conclu que de tels tests HIL non seulement améliorent la qualité du logiciel et réduisent le temps de mise en service, mais servent également de plate-forme de test d'intégration du système, car les signaux, les protocoles de communication et la logique doivent tous correspondre pour qu'un système puisse fonctionner correctement.

L'utilisation d'une approche " holistique " qui fait largement appel à la simulation et aux essais permet un processus de conception plus réactif qui peut répondre rapidement aux demandes des concepteurs et apporter des solutions aux questions qui se posent aux différentes étapes de la conception, ce qui permet d'ajuster en conséquence le temps et le coût des investissements.