Author: Xavier Huin
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Pour lutter contre le changement climatique, la Commission européenne a fixé un objectif de réduction d'au moins 30 % des émissions de CO2 des véhicules commerciaux d'ici 2030 par rapport à une période de référence de 2019-2020. De plus, l'introduction de zones à faible émission et zéro-émission dans les grandes villes européennes, comme Paris en 2024, est prévue par les autorités locales afin de limiter ou d'interdire l'utilisation des moteurs à combustion interne dans le but d'améliorer la qualité de l'air. L'hybridation de la chaîne cinématique des véhicules et le développement de moteurs thermiques dédiés à ces applications semble donc s'imposer comme une solution adéquate afin de réduire significativement la consommation de carburant et les émissions de polluants. Cependant, le choix du dimensionnement des composants et de la stratégie de commande de ce type de véhicule peut s'avérer complexe pour répondre aux exigences de performance tout en limitant les coûts du système. En effet, la résolution de ce problème d'optimisation non-linéaire inclut de nombreuses variables continues et discrètes et nécessite l'utilisation d'outils fiables et performants. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d'optimisation globale pour le dimensionnement et la commande optimale de véhicules électriques hybrides rechargeables basée sur l'optimisation combinatoire. Le problème couplé original de conception et de gestion de l'énergie de la chaîne cinématique est reformulé en une combinaison de sous-problèmes linéaires en nombre entiers qui sont résolus à l'aide d'un algorithme de type Branch and Bound. La prise en compte de nouvelles contraintes dans le problème d'optimisation sur les émissions de NOx, le nombre d'activation des différents actionneurs ou les zones zéro-émission permet d'améliorer les résultats obtenus. Par ailleurs, l'ajout de nouvelles variables de conception pour le moteur thermique et la batterie permettent de mieux définir les spécifications nécessaires au développement détaillé de ces composants dédiés aux véhicules hybrides. Le problème d'optimisation est évalué sur un cas d'usage moyen de livraison régionale à l'horizon 2030 et les résultats sont validés avec un outil de simulation métier. Enfin, une nouvelle approche analytique pour l'analyse de sensibilité est proposée pour étudier la sensibilité du coût total de possession du véhicule par rapport à la variation de certains paramètres comme les missions de transport ou le dimensionnement de la propulsion électrique avec un coût de calcul très faible.
Author: Nicolas Marc
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Ce travail de thèse propose une méthodologie systématique d'évaluation et de comparaison des gains en émissions de CO2 de véhicules hybrides électriques de différentes architectures et intégrant différentes fonctionnalités. Une méthodologie de dimensionnement a été mise en place, elle se base sur la définition d'un cahier des charges en performances dynamiques des véhicules, la mise en place d'algorithmes de mise à l'échelle afin de générer les données des composants de la chaîne de traction (batterie, machine électrique, moteur thermique), et l'utilisation de procédures de dimensionnement du véhicule sous contrainte de minimisation des émissions de CO2. L'évaluation énergétique des différentes configurations de véhicule ainsi dimensionnées s'articule autour de la définition de différents usages du véhicule et sur l'implémentation d'une loi de gestion optimale de l'énergie de type Principe du Minimum de Pontriaguine. Ces méthodologies ont été appliquées à une architecture conventionnelle, servant de référence pour les performances dynamiques et les consommations énergétiques, et d'une architecture hybride parallèle pré-transmission, pour laquelle une configuration hybride rechargeable et une configuration hybride non rechargeable ont été implémentées.
Author: Vincent Reinbold
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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: Gwenaëlle Souffran
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Pages : 214
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A l’heure où l’automobile doit répondre à des enjeux environnementaux majeurs, le dimensionnement de la chaîne de traction est l’une des problématiques clef dans la conception d’un véhicule électrique hybride afin d’améliorer sa consommation énergétique. Dans ce contexte, nous proposons de pré-dimensionner les éléments de la chaîne de traction (moteur thermique, machine électrique et batterie) en considérant les profils de mission liés à l’usage du véhicule (urbain, extra-urbain) et sans choix a priori, ni de la structure (série ou parallèle), ni de la puissance nominale des composants. L’originalité des travaux repose ainsi sur deux axes. D’une part, un modèle de l’usage d’un véhicule est développé afin de caractériser une mission définie par le trio de variables {vitesse ; accélération ; inclinaison}. Ce modèle, basé sur la matrice de Markov, permet de conserver la corrélation entre les trois variables ainsi que leurs caractéristiques statistiques. Suite à cette modélisation, de nombreuses missions peuvent être générées aléatoirement. D’autre part, la chaîne de traction hybride est modélisée selon une approche par flux de puissance pour les deux structures série et parallèle. Des modèles génériques adimensionnels des composants sont alors utilisés de manière à ne pas faire de choix a priori sur leur valeur nominale et une stratégie de gestion de l’énergie en ligne maximisant le rendement de la chaîne de traction est proposée. Enfin, un algorithme de dimensionnement a été développé de manière à minimiser la consommation de carburant du véhicule sur un ensemble de missions simulées. Le dimensionnement obtenu est donc optimisé par rapport à l’usage prévu du véhicule.
Author: Julien Scordia
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Pages : 232
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Un véhicule hybride est un véhicule qui dispose d'au moins deux sources d'énergie pour son déplacement. Dans le cas du véhicule hybride thermique électrique, une source est non-réversible (réservoir de carburant) l'autre est réversible (batterie). Le problème est d'utiliser de manière optimum par rapport à la consommation de carburant (et donc les émissions de CO2) l'énergie disponible dans la batterie. Cette optimisation est possible en utilisant au mieux les degrés de liberté de la chaîne de traction du véhicule (rapports de boîte par exemple), tout en satisfaisant la demande de puissance du conducteur.
Author: Majed Boujelben
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Pages : 212
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Les bus urbains doivent réduire leurs émissions locales en l'occurrence le bruit, les polluants et les gaz à effet de serre. Dans ce contexte, la motorisation hybride peut présenter une solution technologique assez intéressante. Dans le cas concret de notre étude, le véhicule étudié est un microbus full-hybride série rechargeable de l'entreprise GRUAU. Théoriquement, ce microbus présente de fortes potentialités. Mais lors de son exploitation, quelques problèmes sont apparus et qui ont freiné son déploiement. La société a alors engagé une démarche d'analyse et de compréhension pour optimiser le fonctionnement de ce microbus en développant une étude graduelle, basée sur un lien fort entre expérimentations et simulations. Les optimisations ont porté sur la modification des lois de gestion d'énergie et sur le remplacement de la batterie et sur la gestion des démarrages du moteur thermique. Avec l'ensemble des optimisations proposées, les bilans énergétiques comparatifs, entre les microbus hybride et diesel, effectués pour un usage journalier ont prouvé l'avantage de la version hybride en termes de consommation de carburant et par la suite des émissions de CO2.
Author: Grégory Rousseau
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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.
Author: Gareth Pugsley
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Pages : 109
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Author: Alan Chauvin
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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: Gareth Pugsley
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Ce travail concerne l'étude des machines asynchrones à cage dans les applications de traction automobile, en particulier pour les véhicules hybrides. Nous avons développé des modèles et des méthodes utiles pour analyser et dimensionner de telles machines électriques. Nous avons tout d'abord mis au point un modèle électromagnétique non linéaire de la machine, déterminé à partir d'un nombre restreint de calculs "éléments finis". Ce modèle a ensuite été adapté pour réaliser des études de sensibilités sur quelques dimensions géométriques importantes. Ce modèle paramétrique a été utilisé pour l'optimisation sous contrainte des dimensions d'une machine. Pour cela, nous avons proposé une nouvelle méthode "d'optimisation à modèle recalé" qui concilie précision, rapidité et simplicité. Cette démarche a été appliquée au cas concret d'un dimensionnement de machine asynchrone avec un cahier des charges typique d'un véhicule hybride.
