Pôle Véhicule du Futur

La voiture de demain en kit

Par Renaud LACROIX le 01 décembre 2006

Après l'Ile-de-France, les régions d'Alsace et de Franche-Comté réunies représentent le deuxième pôle automobile de France. Mais si l'usine PSA compte pour beaucoup dans l'essor de la Franche-Comté, il ne faut pas oublier que l'automobile ce n'est pas seulement des châssis et des moteurs.

H2O de Peugeot, une étude de véhicule très écologique au secours de la planète

Les deux régions abritent aussi des centres de Recherche et Développement, des équipementiers, des sous-traitants du secteur automobile, des universités, des écoles d'ingénieurs et des centres scientifiques et techniques.

On compte en tout et pour tout plus de 87.000 salariés oeuvrant dans 424 entreprises liées à l'automobile.

Cette concentration d'activités diverses et complémentaires est d'ailleurs reconnue à l'international puisque la « filière » Alsace-Franche-Comté travaille avec de grands constructeurs mondiaux tels que PSA, Renault, le groupe Volskwagen, Toyota, Honda ou General Motors.

Volkswagen travaille aussi sur la pile à combustible

Le Pôle Véhicule du Futur est donc né d'une idée qui voulait tirer avantage de cette large combinaison de compétences : pourquoi ne pas réunir tous les secteurs de l'automobile pour réaliser des projets communs et concevoir la voiture de demain ? Le concept peut paraître assez simple mais la mise à exécution l'est moins.

En effet, l'ambition du Pôle est la mise en relation de tous les domaines, même ceux qui s'opposent a priori (comme le design et la mécanique) pour les faire cohabiter le mieux possible dans un véhicule propre et ergonomique.

L'association Pôle Véhicule du Futur a été fondée en juin 2005 et représente un « pôle de compétitivité » dans l'ambition de réunir des entreprises afin de créer des produits innovant à forte valeur ajoutée et compétitifs sur le plan international.

L'ensemble des projets s'articule autour de trois thèmes : le « véhicule propre » dont le but est de réduire les nuisances environnementales causées par le véhicule ; le « véhicule et réseaux intelligents » dont le but est de développer les interactions entre l'homme, le véhicule et l'environnement ; l' « excellence de la filière » dont le but est d'intégrer le facteur humain au véhicule et d'améliorer la compétitivité internationale.

Banc à rouleaux dépollution (Faurecia)

Les projets sont soumis par différentes structures (laboratoires de recherche publiques, PME, ...). Ils sont sélectionnés et évalués avant de recevoir le label du Pôle et les financements (en grande partie publics). Il y a actuellement 28 projets labellisés impliquant 65 entreprises et 34 laboratoires de recherche.

On s'intéressera ici plus précisément à 5 projets :

- le système de pile à combustible de FC-Lab qui tend à développer un moteur « propre » utilisant l'hydrogène.

- le programme Boucle d'Air initié par les trois partenaires Faurecia, Mark IV et Honneywell Garett qui vise à améliorer les circuits entiers d'échappements pour les rendre moins bruyants et moins polluants.

- l'Espace ERCOS qui veut rationaliser la place du conducteur dans son véhicule et améliorer son confort.

- le MIAM qui conçoit des systèmes intelligents d'aide à la conduite.

- le programme DEC'AUTEX qui cherche à intégrer les textiles et les plastiques dans l'habitacle et faire cohabiter technique et design.

Basé à Belfort, en Franche-Comté, l'institut FC-Lab est un complexe qui développe des piles à combustible et regroupe 7 organismes (dont 3 universités, le Commissariat à l'Energie Atomique et le CNRS).

Table vibrante

Il travaille aussi en coopération des industries et des collectivités territoriales. Son rôle est donc à la fois fédérateur et pluridisciplinaire.

A l'heure actuelle, les leaders mondiaux dans le domaine sont surtout les Etats-Unis, le Japon et le Canada alors que l'Allemagne se place en tête pour l'Europe. Le FC-Lab veut donc rattraper le retard de la France pour en faire un acteur européen et pourquoi pas mondial sur le marché des moteurs à hydrogène.

Trouver une alternative aux moteurs à essence est évidemment devenu une priorité avec la diminution des réserves de pétrole et, en conséquence, l'augmentation du prix des carburants. La pile à combustible est à l'heure actuelle la solution qui semble la mieux adaptée à la fois au remplacement de l'essence et aux priorités environnementales. Malgré son nom, il n'y a pas de combustion dans la pile : il s'agit en fait d'une réaction chimique qui associe le dioxygène de l'air et le dihydrogène pour donner de l'eau : 2 H² + O² → 2 H²O

Aucun gaz n'est rejeté dans l'atmosphère et le produit obtenu, l'eau peut même être réutilisée. Pour gagner de la place, on peut mettre plusieurs piles en parallèle. La réaction provoque un transfert d'électrons qui est capté par une membrane. Ce courant alimente un moteur électrique qui fournit alors la puissance motrice du véhicule, de l'ordre de 200.000 Watt pour un bus.

La membrane quant à elle est faite de Nafion, une matière utilisée depuis de nombreuses années et à laquelle on cherche aujourd'hui une remplaçante ayant de meilleures propriétés électriques et mécaniques.

Planche présentant la logique scientifique

L'approche du problème au FC-Lab n'est pas pluridisciplinaire mais systémique. Le laboratoire va en effet mélanger les savoirs et les compétences pour orienter ses recherches dans deux axes majeurs : l'optimisation des performances et la durée de vie des piles à combustible. Il s'agit donc de développer les moteurs pour atteindre un rendement aussi bon voire meilleur que celui des moteurs « à explosion ».

Le rapport entre l'énergie réellement fournie et l'énergie théoriquement calculée doit pouvoir atteindre les 40 à 45% (avec une valeur limite maximale estimée à 55 %) contre 30 % actuellement pour les moteurs à essence. D'un autre côté, il faut pouvoir comprendre ce qui limite la durée de vie des piles pour arriver à produire des moteurs qui ne doivent pas être changés trop souvent.

Pour cela, FC-Lab possède des moyens uniques en France et quasiment uniques en Europe. L'institut a d'abord la possibilité de faire des tests sur des piles à l'échelle un, soit grandeur nature. Il y a plusieurs bancs de tests pour les piles à faible puissance (quelques dizaines de Watts) et les piles à fortes puissance (200 kW) qui renseignent les chercheurs sur les performances et les comportements électriques.

D'autre part, le laboratoire a des bancs vibratoires qui permettent de reproduire les secousses subies par un véhicule et sur lesquels on place la pile pour la confronter aux contraintes mécaniques qu'elle va rencontrer une fois en déplacement.

Au final, la pile à combustible nécessite encore de nombreux travaux de recherches et fera l'objet d'un concurrence acharnée sur le plan mondial. Cela s'explique par un objectif pour le moins alléchant : développer (et vendre !) une alternative écologique et économique à l'essence. Le temps est compté, la France a donc intérêt à se dépêcher et des initiatives comme celles de FC-Lab sont bienvenues.

Le programme Boucle d'Air est mené conjointement par trois équipementiers automobiles présents sur le Pôle Véhicule du Futur : Faurecia Exhaust System, Mark IV et Honeywell Garett.

Banc à rouleaux extérieur pour mesures acoustiques (Faurecia)

Ces trois entreprises font ici collaborer leurs départements « échappement » puisque la « boucle d'air » désigne l'ensemble du circuit par lequel transitent les gaz dans une voiture : l'admission d'air, la suralimentation et sa régulation, l'échappement, le traitement des gaz et leur recirculation.

Les constructeurs automobiles spécifient généralement les produits de chaque équipementier de façon indépendante et sans tenir compte des interactions entre eux. Ce travail en commun sur le Pôle a pour objectif d'étudier non pas seulement les systèmes d'échappement en eux-mêmes mais aussi la manière dont ils s'intègrent dans le véhicule afin de minimiser le bruit et la pollution. Ainsi, au lieu d'étudier une ligne d'échappement en la séparant du reste de la voiture, il est ici question de modéliser les effet de l'un sur l'autre.

Or le comportement de certains matériaux comme l'acier reste relativement mal connu pour certains modes de fonctionnement et pour des températures de l'ordre de 1 000 °C, atteintes couramment lors de tests et d'essais. La connaissance de certains phénomènes physiques et les logiciels de modélisation actuels restent encore incomplets.

C'est pour cette raison qu'un Centre d'Essais et de Modélisation de la Boucle d'Air, le CEMBA, va bientôt être implanté entre Belfort et Montbéliard. Sa mission sera de fournir un outil informatique permettant de modéliser les interactions entre la ligne d'échappement et son environnement.

Passage norme et homologation sur piste (Faurecia)

Des études sont d'ores et déjà menées au département Recherche et Développement de Faurecia à Bavans, dans le Doubs. Un banc moteur et une piste d'essais privée servent aux mesures acoustiques tandis que le banc d'essais de dépollution permet le développement des filtres à particules. Dans les laboratoires, on retrouve encore un banc d'essais pour tester la fiabilité des catalyseurs et un banc de tests des températures.

Mais les données les plus utiles pour les modélisations ultérieures de la boucle d'air proviennent des installations de sollicitations mécaniques qui soumettent les lignes d'échappement entières aux contraintes réelles d'utilisation qu'elles devront subir une fois mises en place sur le véhicules. On met alors à l'épreuve l'ensemble du système, depuis les attaches jusqu'au pot, pour valider le design et passer au prototype.

Deux autres projets doivent également voir le jour sur le Pôle Véhicule du Futur, toujours grâce à la collaboration de Faurecia, Mark IV et Honeywell Garett.

Il s'agit d'abord de l'OPTEN, qui s'inscrit dans la lignée des accords de Kyoto pour maîtriser les rejets de gaz nocifs dans l'atmosphère. Ce projet aura pour but d'évaluer les conséquences des nouveaux paramètres de combustion (GDI, HCCI, biocarburants, ...) pour orienter leurs développements et de mesurer la maturité des solutions technologiques qui répondent à ces paramètres pour gérer les choix technico-économiques.

Banc moteur endurance (Faurecia)

Le projet RECEN suit lui aussi les accords de Kyoto dans l'optique d'évaluer les solutions qui permettront de limiter les pertes d'énergie (donc d'augmenter le rendement) ou de les récupérer pour les réutiliser.

Le programme Boucle d'Air est donc, comme la pile à combustible, axé vers la compréhension et le respect du monde qui nous entoure. Pourtant, bien qu'ils soient tous les deux réunis sur le Pôle Véhicule du Futur, ces deux programmes n'en sont pas moins très différents, dans leurs fondements mêmes. Ils semblent basés sur deux échelles de temps différentes.

Alors que la Boucle d'Air est un moyen d'optimiser des technologies pré-existantes mais vouées, peut-être (et sur le très long terme), à disparaître avec les carburants actuels, la pile à combustible est un travail d'innovation avec une vaste zone d'inconnu devant elle mais qui aura tôt ou tard sa place dans le paysage urbain si elle n'est pas supplantée par d'autres énergies.

DEC'AUTEX est un programme centré sur les textiles dans les habitacles qui ferait a priori sourire sur un pôle de compétitivité où l'on parle « supercondensateurs de plusieurs centaines de Farad » et « banc d'essais acoustiques ». Il ne manque pourtant ni de sérieux ni d'innovation et encore moins d'utilité.

Une étude approfondie de tableau de bord (Protechnic)

Ce programme présente un compromis agréable entre le confort de l'utilisateur, tant pour ses yeux que pour ses doigts, et la réalisation technique tout en restant dans le cadre de l'automobile.

Il s'agit d'un rapprochement des filières textiles, plastique et automobile de la région d'Alsace dans le cadre d'une collaboration entre le Pôle Véhicule du Futur et le Pôle textile Alsace. Car en définitive, le conducteur moyen sera plus souvent en contact avec son tableau de bord qu'avec son moteur et son pot d'échappement (du moins on l'espère).

L'habitacle doit donc représenter un lieu de confort à la fois agréable et sécurisant pour l'ensemble des personnes qui sont amenées à monter dedans. C'est dans ce cadre que l'on comprend l'importance des recherches que l'on peut mener dans le domaine des « interfaces homme/habitacle ». Mais si les outils de modélisation pour, par exemple, la résistance des textiles sont bien connus, il n'en va pas de même pour modéliser les réactions d'un être humain. Les paramètres à prendre en compte sont plus subtils, moins évidents à cerner, ils dépendent des goûts et sont donc dépendants de chaque utilisateur !

Il faut alors effectuer des tests sur des panels, professionnels ou non, qui doivent évaluer numériquement chaque surface selon des critères bien définis comme la rugosité. On peut alors associer différents matériaux et différents textiles pour obtenir les réactions voulues.

Textile de qualité sur siège anatomique (Protechnic)

L'avantage du programme DEC'AUTEX est qu'il ne prend pas seulement en compte l'aspect design mais intègre aussi complètement le côté technique. Fini donc les contentieux entre les ingénieurs et les designers au moment de présenter des projets puisqu'ils travaillent désormais ensembles lors du développement d'un produit.

Mieux encore, DEC'AUTEX s'appuie sur l'Ecole Nationale Supérieur d'Ingénieurs Sud Alsace (ENSISA), située à Mulhouse. Cette école, qui recrute ses élèves à partir du Concours Commun Polytechnique, propose une formation dans les domaines du textile et de la mécanique. C'est donc un réservoir d'ingénieurs polyvalents très spécialisés qui peuvent, avec le diplôme de l'ENSISA, directement travailler chez des équipementiers automobiles.

L'enseignement balaye plusieurs champs : la connaissance des textile, leur fabrication, leurs aspects qualitatifs et la connaissance des machines qui permettent la fabrication de produits textiles finis.

Le programme inclue aussi des « journées techniques » (3 éditions jusqu'à présent) qui accueillent plus de 200 entreprises venant d'une dizaine de pays différents. La 4ème édition de ces rencontres aura lieu le 30 novembre et le 1er décembre 2006.

Le laboratoire de Modélisation et d'Identification en Automatique et Mécanique (MIPS) réunit 25 enseignants-chercheurs et 20 doctorants sur le site de l'Université de Haute-Alsace à Mulhouse. Cinq groupes de recherche travaillent sur 5 projets différents avec une thématique commune : les structures et machines intelligentes.

Un ordinateur pour analyser les trajectoires

L'un de ces projets est directement applicable à l'automobile puisqu'il s'agit du développement de systèmes d'aide à la conduite. La Modélisation et l'Identification en Automatique et Mécanique (MIAM) permet l'analyse d'une situation donnée sur la route et éventuellement une correction de trajectoire si le conducteur ne réagit pas ou réagit mal.

Le MIPS travaille avec plusieurs prototypes de voitures sur lesquelles sont greffés des dispositifs embarqués. Le plus impressionnant d'entre eux est relié à un GPS qui donne la nature du prochain virage afin que le système ajuste la vitesse du véhicule en conséquence. Il peut aussi détecter la présence d'une autre voiture, d'un vélo ou d'un piéton sur la route en pleine nuit et orienter automatiquement les phares vers lui.

De plus, contrairement à l'ESP par exemple, le MIAM ne se contente pas de gérer l'aspect longitudinal (comme le freinage) mais inclue aussi l'aspect transversal du comportement du véhicule. Pour éviter un obstacle détecté par les capteurs, le système embarqué va braquer les roues tout en évitant un dérapage.

Beaucoup d'électroniques embarqués pour tout contrôler

Pour tester les dispositifs de calcul de trajectoire par GPS, une comparaison a été effectuée sur une piste fermée entre l'un des prototypes du MIAM et un pilote essayeur. Les résultats sont étonnants : les deux trajectoires sont quasiment confondues ! Il faut préciser que le GPS donne une précision qui varie de 5 mm à 2 cm seulement !

Le laboratoire s'applique aussi à modéliser le comportement des conducteurs avec une paire de lunettes pour le moins originales. En effet, celles-ci sont truffées de capteurs qui repèrent la position de la pupille et permettent de dire en temps réel ce que regarde l'utilisateur.

On peut ainsi rapidement évaluer ce qui fait la différence entre un « jeune conducteur » et un usager de la route expérimenté : alors que le premier se concentre sur son compteur de vitesse ou ses rétroviseurs, le second aborde le virage en scrutant l'endroit où il va ressortir et les dangers éventuels qu'il va devoir éviter. L'analyse qui en découle permet de reproduire les comportements avec une machine intelligente ou de développer les systèmes d'aides qui vont combler les lacunes du conducteur.

L'automobile n'est toutefois pas le seul secteur visé par les travaux du MIPS puisqu'ils intéressent majoritairement les aéroports pour la gestion des avions, notamment par mauvais temps.

Reste à savoir maintenant si le conducteur d'automobile lambda va accepter que son véhicule décide à sa place de braquer où de diminuer sa vitesse dans une courbe, même si les prouesses technologiques de la machine égalent voire dépassent ses capacités d'humain.

L'importance de la collaboration entre le Pôle Véhicule du Futur et les universités d'Alsace-Franche-Comté se traduit encore par les réalisations du laboratoire Système Et Transport (SET) de l'Université de Technologie Belfort-Monbéliard (UTBM).

Intégrer le facteur humain lors de la conception d'un véhicule

Ce laboratoire, qui compte plus de 90 personnes travaillant dans des domaines très divers comme l'automatique, la productique, l'informatique, la mécanique et l'ergonomie, conduit des projets autour de l'élaboration de techniques avancées intégrant la dimension humaine pour le contrôle et la gestion des réseaux de transport.

L'ESPACE ERCOS est l'une des trois équipes de recherches du laboratoire et désigne en réalité un ensemble de projets réunis sous l'appellation Ensemble de Solutions Pour Améliorer la Compétitivité des Entreprises à travers l'ERgonomie et la COnception des Sytèmes. Leur but est d'associer les Sciences Humaines avec le Génie Mécanique et Informatique pour développer des outils mieux adaptés à l'homme car étudiés spécialement pour lui.

L'idée principale est donc d'intégrer le facteur humain lors de la conception même d'un véhicule ou d'une machine. Cela est d'autant plus intéressant que ces projets vont permettre d'aboutir à de nouvelles méthodes d'élaboration de produits dans lesquelles le design ne sera plus étudié sans tenir compte des aspects techniques et ergonomiques... Et vice-versa !

L'enjeu est double puisque ces résultats serviront de bases à une formation d'ingénieur innovante au sein même de l'université qui pourra se targuer d'avoir des diplômés polyvalents capables de faire du beau, du pratique et de l'utile à la fois.

Modélisation en 3 dimensions d'un espace de travail

Pour éditer ces données concernant l'ergonomie sur les machines et les véhicules, l'équipe ERCOS dispose d'une plate-forme de travail assez spectaculaire au sein de l'UTBM. Il s'agit d'une modélisation en trois dimensions d'un espace de travail dans lequel l'utilisateur équipé de lunettes spéciales peut se déplacer pour se mettre à la place de celui qui se servira de la véritable machine.

Deux écrans géants situés en face de lui montrent pour les « spectateurs » l'environnement 3D avec des paramètres supplémentaires comme son champ de vision ou la zone qu'il pourrait atteindre en tendant le bras. La réalité virtuelle immersive permet ainsi de détecter les problèmes liés au confort dans un habitacle (ou sur un plan de travail) en mettant en valeur les difficultés récurrentes que doit surmonter un conducteur (tableau de bord caché par le volant, bouton inaccessible, ...).

Les résultats recueillis renseignent non seulement sur la conception de systèmes, mais aussi et surtout sur le fonctionnement de l'homme dans ses mouvements quotidiens. En repérant les éventuels gestes qui, répétés mille fois, conduisent à des crampes voire des entorses par exemple, l'ESPACE ERCOS entend prévenir plutôt que guérir. De plus, on peut y voir une possibilité d'adapter des habitacles et des outils de travail à des personnes âgées ou présentant un handicap.