Contribution au dimensionnement optimal d'une machine électrique sans aimant pour la propulsion de véhicules hybrides PDF Download
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Author: Leïla Nguimpi Langue
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Book Description
La propulsion hybride (thermique-électrique) constitue une solution pertinente dans la conception de véhicules consommant moins de 2 litres de carburant / 100 km. Néanmoins, ce type de motorisation se heurte à des niveaux de coûts trop élevés pour une large diffusion. Une des raisons de ces coûts importants se situe au niveau des aimants permanents de type terre-rare intégrant la constitution de la machine électrique, et dont le cours des prix est très instable, rendant ce type de machine difficilement compatible avec le marché visé. L'objectif de cette thèse est d'investiguer les structures de machines électriques sans aimant terre-rare et dont les performances massiques peuvent rester comparables à celles des machines à aimants permanents. La première partie des travaux correspond à une vaste étude bibliographique sur les différentes technologies de machines électriques, les différentes architectures et topologies existantes, les matériaux innovants et enfin les techniques et méthode d'analyse et d'optimisation. A la fin de cette phase, il est fait le choix d'étudier les machines synchro-réluctantes à barrières de flux. L'accent est alors mis sur le design de la géométrie du rotor, mais également sur l'impact des matériaux utilisés (matériaux magnétiques classiques ou innovants) sur les performances. La seconde partie de la thèse a pour objectif de mettre en œuvre une stratégie efficace afin de dimensionner de manière optimale l'architecture de la machine choisie. Le choix est fait d'aborder le problème de manière séquentielle : en premier lieu, une optimisation de la topologie seule en s'affranchissant de l'impact de la commande ; dans un deuxième temps, une optimisation de la commande de la géométrie optimisée avec tracé des cartographies de performances ; enfin, une évaluation des différents matériaux au travers de la comparaison de ces performances. Trois configurations de machines sont dimensionnées : une machine synchro-réluctante classique à air (SyRC), une machine synchro-réluctante assistée de d'aimants permanents de type ferrites (SyRA) et enfin une machine synchro-réluctante utilisant le matériau dit « Dual Phase » (SyRDP). Celui-ci présente théoriquement la caractéristique de pourvoir changer localement ses propriétés magnétiques (passage des propriétés magnétiques d'un acier vers celles amagnétiques de l'air dans le cas limite idéal) grâce à un traitement thermique particulier, tout en conservant ses propriétés mécaniques. Cette étude permet de conclure que la machine synchro-réluctante assistée de ferrites montre les meilleures aptitudes, tant pour ce qui est de la puissance crête que du défluxage potentiel. Cependant, la machine synchro-réluctante dans cette configuration est sur le plan mécanique plus fragile que la SyRC et la SyRDP. En effet, avec l'ajout des ferrites, les ponts fer (magnétiques) permettant d'assurer l'intégrité mécanique du rotor à vitesse élevée sont d'autant plus sollicités. En phase de conception, l'optimisation électromagnétique tend à les réduire car ce sont des courts-circuits magnétiques entrainant une réduction des performances, alors que les considérations mécaniques tendent plutôt à augmenter leur épaisseur. La troisième partie de cette thèse porte sur la prise en compte des contraintes mécaniques lors du dimensionnement électromagnétique du rotor. Etant donné que la modélisation et l'optimisation électromagnétiques sont basées sur des modèles éléments finis, et afin de ne pas alourdir davantage le dimensionnement, il est décidé de mettre en place un modèle analytique des contraintes mécaniques particulièrement critiques dans les ponts magnétiques. Les équations de calcul sont inspirées de la théorie des poutres et le modèle est recalibré grâce à des simulations éléments finis.
Author: Leïla Nguimpi Langue
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La propulsion hybride (thermique-électrique) constitue une solution pertinente dans la conception de véhicules consommant moins de 2 litres de carburant / 100 km. Néanmoins, ce type de motorisation se heurte à des niveaux de coûts trop élevés pour une large diffusion. Une des raisons de ces coûts importants se situe au niveau des aimants permanents de type terre-rare intégrant la constitution de la machine électrique, et dont le cours des prix est très instable, rendant ce type de machine difficilement compatible avec le marché visé. L'objectif de cette thèse est d'investiguer les structures de machines électriques sans aimant terre-rare et dont les performances massiques peuvent rester comparables à celles des machines à aimants permanents. La première partie des travaux correspond à une vaste étude bibliographique sur les différentes technologies de machines électriques, les différentes architectures et topologies existantes, les matériaux innovants et enfin les techniques et méthode d'analyse et d'optimisation. A la fin de cette phase, il est fait le choix d'étudier les machines synchro-réluctantes à barrières de flux. L'accent est alors mis sur le design de la géométrie du rotor, mais également sur l'impact des matériaux utilisés (matériaux magnétiques classiques ou innovants) sur les performances. La seconde partie de la thèse a pour objectif de mettre en œuvre une stratégie efficace afin de dimensionner de manière optimale l'architecture de la machine choisie. Le choix est fait d'aborder le problème de manière séquentielle : en premier lieu, une optimisation de la topologie seule en s'affranchissant de l'impact de la commande ; dans un deuxième temps, une optimisation de la commande de la géométrie optimisée avec tracé des cartographies de performances ; enfin, une évaluation des différents matériaux au travers de la comparaison de ces performances. Trois configurations de machines sont dimensionnées : une machine synchro-réluctante classique à air (SyRC), une machine synchro-réluctante assistée de d'aimants permanents de type ferrites (SyRA) et enfin une machine synchro-réluctante utilisant le matériau dit « Dual Phase » (SyRDP). Celui-ci présente théoriquement la caractéristique de pourvoir changer localement ses propriétés magnétiques (passage des propriétés magnétiques d'un acier vers celles amagnétiques de l'air dans le cas limite idéal) grâce à un traitement thermique particulier, tout en conservant ses propriétés mécaniques. Cette étude permet de conclure que la machine synchro-réluctante assistée de ferrites montre les meilleures aptitudes, tant pour ce qui est de la puissance crête que du défluxage potentiel. Cependant, la machine synchro-réluctante dans cette configuration est sur le plan mécanique plus fragile que la SyRC et la SyRDP. En effet, avec l'ajout des ferrites, les ponts fer (magnétiques) permettant d'assurer l'intégrité mécanique du rotor à vitesse élevée sont d'autant plus sollicités. En phase de conception, l'optimisation électromagnétique tend à les réduire car ce sont des courts-circuits magnétiques entrainant une réduction des performances, alors que les considérations mécaniques tendent plutôt à augmenter leur épaisseur. La troisième partie de cette thèse porte sur la prise en compte des contraintes mécaniques lors du dimensionnement électromagnétique du rotor. Etant donné que la modélisation et l'optimisation électromagnétiques sont basées sur des modèles éléments finis, et afin de ne pas alourdir davantage le dimensionnement, il est décidé de mettre en place un modèle analytique des contraintes mécaniques particulièrement critiques dans les ponts magnétiques. Les équations de calcul sont inspirées de la théorie des poutres et le modèle est recalibré grâce à des simulations éléments finis.
Author: Abdeljalil Daanoune
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Dans un contexte ou la question de la préservation de l'environnement est devenue un sujet sociétal majeur, la recherche de nouvelles technologies pour remplacer la voiture à essence constitue un véritable enjeu industriel. Les véhicules hybrides et électriques sont une alternative prometteuse aux véhicules conventionnels. Ce travail de thèse porte sur la conception et l'optimisation des machines électriques pour la motorisation de ces voitures.Au cours de ces travaux, nous avons développé une nouvelle méthodologie de dimensionnement et d'optimisation des machines synchrones à double excitation. L'intérêt de cette méthode est son bon compromis entre la précision et le temps de calcul et sa capacité d'adaptation à plusieurs types de machines. Le second volet de la thèse est consacré à la proposition d'une nouvelle structure de machine synchrone à rotor bobiné. Une technique originale de compensation de la réaction magnétique d'induit est mise en place, elle consiste en l'insertion d'aimants secondaires permettant de créer un flux dans l'axe q de la machine. Ce dernier a pour rôle d'affaiblir le flux de la réaction magnétique d'induit.
Author: Carole Henaux
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Languages : fr
Pages : 171
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CE TRAVAIL CONCERNE LA DEFINITION D'UNE CHAINE DE PROPULSION A AIMANTS PERMANENTS POUR UN VEHICULE ELECTRIQUE ROUTIER A TURBINE, DE TYPE HYBRIDE SERIE. LE CAHIER DES CHARGES COMPORTE DE NOMBREUSES MISSIONS DE CIRCULATION ET SON ANALYSE MET EN EVIDENCE LA DIFFICULTE A DEFINIR UN REGIME NOMINAL. L'ETUDE A CONSISTE A DEVELOPPER ET EXPLOITER UN OUTIL INFORMATIQUE D'AIDE A LA CONCEPTION DE CETTE CHAINE DE TRACTION SUIVANT UNE METHODOLOGIE QUI COMPORTE LA DEFINITION DES GRANDEURS DIMENSIONNANTES DE L'ACTIONNEUR, SON DIMENSIONNEMENT ET SA CARACTERISATION, ET L'EXPERIMENTATION SIMULEE DE SON COMPORTEMENT ELECTRIQUE ET THERMIQUE EN FONCTIONNEMENT. UN TRAITEMENT SPECIFIQUE DE L'ENSEMBLE DES MISSIONS DU VEHICULE PERMET TOUT D'ABORD DE DEFINIR LES GRANDEURS DIMENSIONNANTES. PUIS LE DIMENSIONNEMENT DE DIFFERENTES STRUCTURES DE MACHINE A AIMANTS PERMANENTS EST EFFECTUE PAR UN PREMIER MODULE BASE SUR DES MODELES ANALYTIQUES. LA STRUCTURE AINSI DIMENSIONNEE EST CARACTERISEE SUR LE PLAN ELECTROMAGNETIQUE AU MOYEN D'UN DEUXIEME MODULE, BASE SUR LE CALCUL DU CHAMP PAR ELEMENTS FINIS, CHAINE AU PREMIER PAR LE BIAIS D'UNE BIBLIOTHEQUE DE STRUCTURES GENERIQUES DE MACHINES A AIMANTS PERMANENTS. IL INCLUT UN MODULE AUXILLIAIRE DE VARIATION PARAMETRIQUE BASE SUR LA METHODE DES PLANS D'EXPERIENCE QUI PERMET D'ELABORER UN MODELE POLYNOMINAL DANS LE DOMAINE DE VARIATION. UN TROISIEME MODULE REALISE LA SIMULATION DU COMPORTEMENT ELECTRIQUE DE L'ACTIONNEUR SUR L'ENSEMBLE DES MISSIONS DE CIRCULATION AVEC UNE STRATEGIE DE COMMANDE A COUPLE MAXIMAL COMPLETEE PAR UNE STRATEGIE DE DEMAGNETISATION POUR ATTEINDRE LA ZONE DES HAUTES VITESSES. ENFIN UN QUATRIEME MODULE SIMULE LE COMPORTEMENT THERMIQUE DES MOTEURS AU COURS DES FONCTIONNEMENTS. CELUI-CI REPOSE SUR DEUX MODELES THERMIQUES GENERIQUES SPECIALEMENT DEVELOPPES ET VALIDES EXPERIMENTALEMENT PAR LA METHODE DES PLANS D'EXPERIENCE, SUR DES MOTEURS REPRESENTATIFS DES STRUCTURES CONSIDEREES, A ROTOR INTERIEUR OU EXTERIEUR. L'EXPLOITATION DE CET OUTIL D'AIDE A LA CONCEPTION PERMET FINALEMENT DE DEGAGER DES CONCLUSIONS SUR LES CONFIGURATIONS DE CHAINES DE TRACTION LES PLUS FAVORABLES EN TERMES DE NOMBRE DE MOTEURS, RAPPORT DE REDUCTION, BOITE DE VITESSES, SUR LES STRUCTURES DE MACHINES LES MIEUX ADAPTEES PARMI CELLES CONSIDEREES, ET SUR LES PROPRIETES ET CRITERES DE DIMENSIONNEMENT A PRIVILEGIER DANS CETTE APPLICATION
Author: Sulivan Küttler
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Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L'utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l'actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l'actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d'induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d'optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d'optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu'un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l'outil d'optimisation et pour l'outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l'art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.
Author: Ahmed Belasri
Publisher: Springer Nature
ISBN: 9811554447
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 659
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This book highlights peer reviewed articles from the 1st International Conference on Renewable Energy and Energy Conversion, ICREEC 2019, held at Oran in Algeria. It presents recent advances, brings together researchers and professionals in the area and presents a platform to exchange ideas and establish opportunities for a sustainable future. Topics covered in this proceedings, but not limited to, are photovoltaic systems, bioenergy, laser and plasma technology, fluid and flow for energy, software for energy and impact of energy on the environment.
Author: Radhouane Khlissa
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Languages : fr
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Ce mémoire est centré sur l'application de la technique d'optimisation de type Space Mapping dans le cadre du dimensionnement d'actionneurs électriques pris en compte par des modélisations multi-physiques. L'intérêt particulièrement recherché de ce type de méthode est la réduction potentiellement forte du coût du dimensionnement optimal. Cette volonté de réduction du coût de l'approche optimale s'explique par plusieurs considérations. En premier lieu, la modélisation des actionneurs tend à considérer de plus en plus de phénomènes physiques (tels que les phénomènes magnétiques, électriques, thermiques, mécaniques ...) afin de décrire au mieux les phénomènes observés et mesurés. En second lieu il devient alors nécessaire de tenir compte des couplages entre ces physiques afin de traduire au plus juste l'interdépendance de ces phénomènes. Dans ce cadre, un travail particulier a été réalisé concernant la prise en compte des aspects thermiques dans les machines électriques. C'est ainsi qu'un modèle thermique à constantes localisées d'une machine synchrone à aimants permanents a été construit. Pour valider les résultats de calcul et préciser la définition de certain de ses éléments, une démarche expérimentale a été réalisée. Tous ces points, traduits dans le plan numérique, haussent le coût de l'évaluation des performances des actionneurs, et donc celui de leurs dimensionnements. De là, l'utilisation des techniques d'optimisation basées sur des modèles substituts permet d'envisager des réductions significatives des coûts de dimensionnement. La technique de Space Mapping est utilisée dans ce travail comme solution pour trouver un compromis entre la qualité des solutions trouvées et le temps de calcul. Plus particulièrement, elle est utilisée pour résoudre un problème de dimensionnement optimal d'une machine synchrone à aimants permanents assurant la fonction de démarreur dans une application de véhicule hybride. L'approche d'optimisation par Space Mapping a été comparée à celle, plus classique, n'utilisant qu'une seule modélisation de l'actionneur à dimensionner, c'est-à-dire sans modèle substitut. Il est montré que les techniques de Space Mapping sont à même de trouver des solutions de dimensionnement similaires à celles issues d'une approche classique, mais de manière beaucoup plus efficace, i.e. en utilisant un nombre plus faible d'évaluations de la modélisation multi-physique de l'actionneur.
Author: Franck Chabot
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Languages : fr
Pages : 211
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Book Description
Dans la première partie du mémoire, l'auteur étudie les différentes stratégies de contrôle de la machine à aimants permanents, utilisables pour parvenir à un fonctionnement à couple imposé dans une large plage de vitesse. Il propose notamment des stratégies originales basées sur les techniques d'optimisation. Dans la deuxième partie, il étudie les problèmes induits par la simplification et/ou la suppression du capteur de position du rotor de la machine en considérant la charge particulière que constitue un véhicule automobile. Il présente et analyse différentes méthodes pour résoudre ce problème sur toute la plage de vitesse y compris le démarrage. L'étude est menée essentiellement par simulation mais certains aspects du problème font l'objet de validations expérimentales sur un dispositif existant. Il précise également le domaine de validité de ces différentes méthodes ainsi que leur adéquation aux moyens disponibles pour la mise en oeuvre. Dans la dernière partie, après avoir analysé le cahier des charges correspondant à la propulsion d'un véhicule automobile électrique, l'auteur propose une méthode systématique de dimensionnement des machines à aimants devant répondre à ce cahier des charges. Cette méthode, où interviennent notamment des caractérisations de la machine par schémas magnétiques équivalents et par calcul du champ, prend aussi en compte les éléments relatifs à la commande, issus des analyses des parties précédentes. La procédure est validée sur une machine existante et plusieurs autres solutions, qui se distinguent par le nombre de pôles où la structure électromagnétique sont proposées.
Author: Vincent Reinbold
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Languages : fr
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Book Description
Depuis l'essor des ordinateurs et des capacités de calcul, la conception des composants du génie électrique repose largement sur des simulations informatiques et sur des calculs numériques. Dans les systèmes complexes, où de nombreux composants interagissent pour le bon fonctionnement du système, le dimensionnement optimal du composant dépend nécessairement de son environnement systémique. La conception de celui-ci est fortement liée au fonctionnement du système global. La conception intégré du composant dans son environnement systémique permet ainsi de repousser les limites de l'efficacité énergétique, pour des systèmes plus performants et moins consommateurs. En support à ce contexte méthodologique, nous proposons de dimensionner par optimisation un moteur électrique pour un véhicule hybride dans le but d'améliorer l'efficacité énergétique globale du véhicule. Dans ce travail, nous avons modélisé le moteur électrique par un schéma réluctant, et nous proposons deux approches méthodologiques différentes du même problème. Les points clés de notre approches sont : la prise en compte de l'environnement du moteur, du cycle de fonctionnement et de la gestion de l'énergie du système.
Author: Alan Chauvin
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Languages : fr
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Book Description
L'hybridation des sources de puissance dans le domaine des applications embarquées s'est imposée comme une solution adéquate pour répondre aux législations environnementales et atteindre une meilleure efficacité énergétique. Toutefois, le choix dans le dimensionnement des composants et la stratégie de commande doivent répondre à un cahier des charges, souvent complexe et hétérogène, tout en limitant les coûts du système. La résolution de ce problème d'optimisation incluant de nombreuses variables peut s'avérer complexe à cause des non-linéarités présentes dans le problème formulé. Il faut donc disposer d'outils de résolution efficaces et capables de fournir une solution fiable. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d'optimisation globale pour le dimensionnement et la commande optimale de véhicules hybrides basée sur l'optimisation combinatoire, et en particulier sur la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE). A partir d'un problème d'optimisation non linéaire, le problème initial est reformulé en une multitude de sous-problèmes linéaires en nombres entiers sur lesquels un algorithme de Branch & Bound parallèle est exécuté. Afin de résoudre des problèmes de grande taille, un second algorithme basé sur le Branch & Cut est développé. Cette méthode est déployée pour l'étude d'un système d'alimentation hybride d'une mini-excavatrice électrique. Le problème d'optimisation, dans lequel des contraintes énergétiques et des contraintes de vieillissement sont implantées, est évalué suivant différents paramètres du cahier des charges. Enfin, cette approche est également appliquée pour l'optimisation de trajectoires d'un système multi-actionneur synchronisés.
Author: Grégory Rousseau
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Book Description
Dans le contexte automobile actuel, étroitement lié à la volonté de réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère, les véhicules hybrides demeurent un passage obligé à court et moyen terme. Un véhicule hybride possède deux sources d'énergie pour assurer sa propulsion : en général un moteur thermique constitue la principale source d'énergie, tandis qu'un moteur électrique représente la source secondaire. La capacité d'un véhicule hybride à consommer moins de carburant, et à rejeter moins de CO2, provient de la présence du moteur électrique. Celui-ci peut être utilisé soit conjointement avec le moteur thermique, soit seul, aucun carburant n'étant alors consommé. La présence de ces deux sources d'énergie impose au système global d'être régi par une stratégie de contrôle déterminant la répartition du couple entre les deux moteurs en fonction de l'état de charge de la batterie. Cette répartition peut être déterminée pour être optimale vis-à-vis de critères tels que la consommation de carburant, les émissions de polluants, etc. L'objectif de la thèse est de développer des méthodes d'optimisation de la répartition de couple entre les deux moteurs d'un véhicule hybride, dans l'objectif de minimiser les émissions de CO2. Une première étape a consisté à développer des modèles représentatifs d'une architecture type adaptés aux types d'optimisation réalisée. Les algorithmes d'optimisation diffèrent selon qu'ils soient capables de traiter des problèmes hors-ligne, ou temps-réel. Parmi les algorithmes d'optimisation hors-ligne étudiés, la programmation dynamique a été utilisée pour déterminer le dimensionnement optimal des éléments principaux d'une architecture hybride, et en déterminer le gain théorique par rapport à une motorisation traditionnelle. Par ailleurs, un algorithme de tir original nommé SCOP a été développé, celui-ci permettant de traiter des problèmes de commande optimale avec contraintes sur l'état, tout en multipliant les performances par 50 par rapport à la méthode de programmation dynamique. Une stratégie de contrôle temps-réel, basée sur l'Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) utilisant le principe de Pontryagin, a été développée et implémentée sur un prototype de véhicule hybride, une Smart équipée d'un alterno-démarreur. Les résultats obtenus démontrent de l'action de la stratégie pour la réduction de la consommation de carburant et des émissions de CO2.
