Дисертації з теми "Véhicules électriques – Design – Consommation d'énergie"

L'industrie automobile est contrainte d'accélérer le développement et le déploiement des véhicules électrifiés à un rythme sans précédent, afin d'aligner le secteur du transport avec les objectifs climatiques. La réduction du temps de développement des véhicules électriques devient une priorité urgente. D'autre part, l'industrie est confrontée à une complexité accrue et à l'ampleur de l'espace de conception des chaînes de traction électrifiées émergentes. Les approches existantes pour aborder la conception des composants, notamment les méthodes numériques telles que la méthode des éléments finis, la mécanique des fluides numérique, etc., reposent sur un processus de conception détaillé. Cela entraîne une longue charge de calcul lorsqu'on essaie de les intégrer au niveau système. L'accélération des premières phases de développement des véhicules électrifiés nécessite de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils, permettant d'explorer l'espace de conception au niveau système. Ces méthodologies devraient permettre d'évaluer les différents choix de pré-dimensionnement des chaînes de traction électrifiées dans les phases de pré-étude. Cette évaluation devrait se faire de manière efficace en termes de temps de calcul, tout en garantissant des résultats fiables en termes de consommation énergétique au niveau système. Pour relever ce défi, cette thèse de doctorat vise à développer une méthodologie de mise à l'échelle pour les systèmes d'entraînement électromécaniques, permettant l'étude au niveau système de différents véhicules électriques. Un système d'entraînement électromécanique se compose d'un ensemble comprenant un onduleur, une machine électrique, un réducteur mécanique et une unité de contrôle. La procédure de mise à l'échelle vise à prédire les données d'une conception nouvellement définie d'un composant donné avec des spécifications différentes sur la base d'une conception de référence, sans avoir à refaire des étapes qui demandent beaucoup de temps et d'efforts. À cette fin, différentes formulations de lois de mise à l'échelle des composants du système d'entraînement électromécanique sont examinées en détail et comparées au niveau composant en termes de mise à l'échelle de la perte de puissance. Un accent particulier est mis sur l'examen de la méthode de mise à l'échelle linéaire des pertes par une homothétie, qui est largement employée dans les études au niveau système. En effet, cette méthode présente des hypothèses discutables et n'a pas fait l'objet d'une étude approfondie. En outre, l'une des principales contributions de ce travail est la formulation des lois de mise à l'échelle des pertes de puissance des réducteurs mécaniques, qui ont été identifiées comme une lacune dans la littérature actuelle. Pour ce faire, une campagne expérimentale intensive a été menée sur des réducteurs mécaniques commerciaux. Pour intégrer les lois d'échelle au niveau système et étudier l'interaction entre les composants mis à l'échelle, le formalisme de la représentation macroscopique énergétique est utilisé. La nouveauté de la méthode proposée réside dans la structuration d'un modèle et d'une commande évolutifs du système d'entraînement électromécanique de référence à utiliser dans la simulation au niveau système. La nouvelle organisation consiste en un modèle et une commande de référence complétés par deux éléments d'adaptation de puissance du côté électrique et mécanique. Ces derniers éléments prennent en compte les effets d'échelle, y compris les pertes de puissance. La méthodologie est appliquée à différents cas d'étude de véhicules électriques à batterie, allant des véhicules légers aux véhicules lourds. Une attention particulière est accordée à l'évaluation de l'impact de la méthode de la mise à l'échelle linéaire sur la consommation d'énergie, en tenant compte de différents facteurs de mise à l'échelle de la puissance et des cycles de conduite, par rapport à d'autres méthodes de mise à l'échelle avec une haute-fidélité
The automotive industry is required to accelerate the development and deployment of electrified vehicles at a faster pace than ever, to align the transportation sector with the climate goals. Reducing the development time of electric vehicles becomes an urgent priority. On the other hand, the industry is challenged by the increasing complexity and large design space of the emerging electrified powertrains. The existing approaches to address component design, such as numerical methods exemplified by finite element method, computational fluid dynamic, etc., are based on a detailed design process. This leads to a long computational burden when trying to incorporate them at system-level. Speeding up the early development phases of electrified vehicles necessitates new methodologies and tools, supporting the exploration of the system-level design space. These methodologies should allow for assessing different sizing choices of electrified powertrains in the early development phases, both efficiently in terms of computational time and with reliable results in terms of energy consumption at system-level. To address this challenge, this Ph.D. thesis aims to develop a scaling methodology for electric axles, allowing system-level investigation of different power-rated electric vehicles. The electric axle considered in this thesis comprises a voltage source inverter, an electric machine, a gearbox, and a control unit. The scaling procedure is aimed at predicting the data of a newly defined design of a given component with different specifications based on a reference design, without redoing time and effort-consuming steps. For this purpose, different derivations of scaling laws of the electric axle components are thoroughly discussed and compared at component-level in terms of power loss scaling. A particular emphasis is placed on examining the linear losses-to-power scaling method, which is widely employed in system-level studies. This is because, this method presents questionable assumptions, and has not been the subject of a comprehensive examination. A key contribution of the presented work is the derivation of power loss scaling laws of gearboxes, which has been identified as a gap in the current literature. This is achieved through an intensive experimental campaign using commercial gearboxes. To incorporate the scaling laws at system-level and study the interaction between the scaled components, the energetic macroscopic representation formalism is employed. The novelty of the proposed method lies in structuring a scalable model and control for a reference electric axle to be used in system-level simulation. The novel organization consists of a reference model and control complemented by two power adaptation elements at the electrical and mechanical sides. These latter elements consider the scaling effects, including the power losses. The methodology is applied for different study cases of battery electric vehicles, ranging from light to heavy-duty vehicles. Particular attention is paid to assessing the impact of the linear power-to-losses scaling method on the energy consumption considering different power scaling factors and driving cycles, as compared to high-fidelity scaling methods

Le réchauffement climatique est un défi majeur du 21ème siècle. Les émissions de gaz à effet liés au secteur des transports est un des principaux contributeurs à ce réchauffement. Le Véhicule Electrique (VE) est une des solutions pour réduire la pollution engendrée par le secteur des transports. Mais l’autonomie du véhicule électrique est un des freins à son adoption.Dans le cadre du programme Campus Universitaire à Mobilité Neutre et Innovante et Neutre en carbone (CUMIN), l’Université de Lille cherche à réduire les émissions de gaz à effet de serre liés aux déplacements réalisés au départ, à l’arrivée ou sur son campus de la Cité Scientifique. Le VE est une des solutions envisagées. Pour encourager les conducteurs de véhicules venant sur le campus à passer au VE, l’université cherche à évaluer la consommation du véhicule en vue de proposer des solutions de recharge neutres en carbone.La consommation d’énergie ou l’autonomie des VEs dépend de nombreux facteurs et est sujette à de fortes variations. L’évaluation de ces facteurs est primordiale pour mieux estimer la consommation du véhicule. L’objectif de cette thèse est de réaliser un outil de simulation d’un véhicule électrique en vue d’évaluer l’impact de différents facteurs sur la consommation d’énergie du véhicule. L’outil de simulation proposé prend en compte la consommation d’énergie liée à la traction du véhicule et des auxiliaires, notamment, la partie confort de l’habitacle. L’outil de simulation est organisé à l’aide la Représentation Energétique Macroscopique (REM). Ce formalisme d’organisation conduit à une approche « directe » permettant de bien prendre en compte les limitations du système. Dans cette thèse, les modélisations sont validées à l’aide d’expérimentation avant de réaliser des comparaisons par simulation
Global Warning is one of the major challenges for the 21st century. The transport sector is one of the biggest emitters of greenhouse gas. Electric Vehicles (EVs) are one of the solutions able to reduce those emissions. However, the driving range of the vehicle is one of the barriers for EVs’ adoption. The Campus of University with Mobility based on Innovation and carbon Neutral (CUMIN) program aims at reducing the greenhouse gas emissions produced by mobility at campus “Cité Scientifique” of the University of Lille. EVs are one of the solutions studied to reduce emissions on this campus. For this solution, the university wishes to study the implementation of charging stations to promote EVs. In order to do this, a tool for estimating the energy consumption of an EV is required.Many factors have an impact on the energy consumption of EVs or their driving range. It is necessary to evaluate the effects of the different factors so as to have a better estimation of the driving ranges of those cars. In this PhD Thesis, the impact of different factors on the energy consumption of an Electric Vehicle has been assessed with a simulation tool developed on purpose. The suggested tool takes into account the energy consumption of the traction system, the Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system and the other auxiliaries of the vehicle. This tool has been developed with Energetic Macroscopic Representation. This formalism aims at organizing the model using a forward approach. With this approach, it is possible to take into account the limitations of the system in the simulation tool of the vehicle. In this thesis, the modeling of the different parts have been developed, then validated with experimental tests. Finally, simulations have been carried out to evaluate the impact of the different factors on the energy consumption of an EV

Le contexte écologique et économique actuel incite les autorités et le public à la réduction des émissions de CO2 et les dépendances vis-à-vis des hydrocarbures. Le transport représente 23 % des émissions de polluants dans le monde, et ce chiffre passe à 39 % pour la France. L’adoption de nouvelles solutions de transport est primordiale pour la réduction de ces émissions. L’électromobilité représente une alternative viable aux véhicules thermiques conventionnels. Si les véhicules électriques permettent une mobilité avec zéro émission, certaines de leurs caractéristiques empêchent leur développement. Les principaux freins à l’adoption de ce type de véhicules sont l’autonomie limitée, le faible déploiement des stations de recharge en milieu urbain (et extra urbain) ainsi que les temps de recharge importants. Aussi, afin de promouvoir l’usage de ce type de mobilité, il incombe de développer des outils visant à optimiser la consommation électrique tenant compte des caractéristiques liées à ce type de mobilité. C’est l’objectif de ce travail de thèse qui se focalise sur le développement d’outils permettant d’optimiser l’usage de véhicules électriques. Pour ce faire, trois grands axes sont définis : la modélisation des véhicules électriques, l’affectation des stations de recharge et le choix d’éco-itinéraires. La première partie de cette thèse s’intéresse à l’estimation de la consommation des véhicules électriques ainsi qu’à la présentation de la librairie de modèles dynamiques VEHLIB d’estimation de la consommation de ce type de véhicules. La seconde partie est consacrée à l’affectation optimale des stations de recharge. Une méthodologie de déploiement d’infrastructures de recharge est proposée pour la ville de Lyon avec prise en compte de la demande de mobilité issue des enquêtes ménages déplacements. La troisième partie de la thèse s’intéresse à la thématique du choix d’éco-itinéraire (green routing). Celle-ci aboutit à la proposition d’une méthodologie multi-objectif de recherche de stations de recharge afin de déterminer des itinéraires optimaux avec déviation vers ces stations lorsque l’état de charge de la batterie du véhicule ne permet pas de terminer le trajet. Pour finir, une expérimentation a été réalisée à l’aide d’un véhicule électrique équipé de capteurs de position et de consommation pour d’une part valider les méthodologies proposées et d’autre part analyser les facteurs exogènes qui influent sur la consommation des véhicules électriques
The current ecological and economic context encourages the authorities and the public to reduce CO2 emissions and oil dependence. The transportation is responsible for 23% of pollutants emissions in the world, and this proportion increases up to 37% in France/ The adoption of new transport solutions is primordial to reduce these emissions. Electro mobility is a viable alternative to conventional vehicles. While electric vehicles offer mobility with zero emissions, some of their characteristicds impede their development. The main obtacle to the adoption of these vehicles is the limited autonomy, a sparse distribution of charging stations in urban areas as well as a significant charging time. Also, to promote the use of this type of mobility, it is primordial to develop tools that optimize the energy consumption and take in to account the characteristics associated with this type of mobility. To achieve this, three areas are difined: modeling of electric vehicles, optimized charging station deployment and eco routing. The first part of this theis focuses on the consumption estimation of the electric vehicles and the presentation of the dynamic model library VEHLIB. The second part is dedicated to optimal allocation of charging stations; A methodology for the deployment of electric vehicle charging infrastructures is proposed for the urban area o fthe city of Lyon, taking into account the mobility demand derived from the household travel surveys.The third part of the thesis deals with the eco-routing (green routing). A multi-objective methodology for eco routing with recharge en-route is proposed. The solutions take into account battery state does not permit to finish the trip.Finally, an experiment was carried out using an electric vehicle equipped with position and consumption sensors in order to validate the proposed methodologies and analyze exogenous factor that impact the electric vehicle consumption

Ce travail présente la gestion de l'énergie d'un véhicule hybride série. C'est une plate-forme dotée de trois sources d'énergie, deux moteurs thermiques entraînant chacun un alternateur-redresseur, et une batterie. L'objectif est de fournir l'énergie nécessaire pour le fonctionnement des moteurs de traction et des auxiliaires. L'étude a été menée par une démarche hiérarchique. Le premier chapitre modélise les sources d'énergie en commençant par la batterie. L'estimation de son état de charge est obtenue par identification paramétrique. Ensuite un modèle cartographié du moteur thermique est développé. Les deux alternateurs - convertisseurs sont modélisés et associés aux moteurs diesel. Le chapitre 2 traite de la répartition optimale de puissance entre les deux groupes électrogènes dont l'un est à vitesse fixe et l'autre à vitesse variable. Le problème résolu est une optimisation avec comme contrainte la minimisation de la consommation de carburant. Les résultats obtenus montrent l'intérêt du groupe à vitesse variable à faible puissance. La dernière partie du mémoire est consacrée à la simulation et à la mise en œuvre en temps réel du système. Ce chapitre étudie la gestion des consignes d'injection pour les moteurs thermiques et l'élaboration des consignes pour la commande en courant des redresseurs. L'interconnexion des modèles des sources aux signaux du calculateur ou CŒUR du système a permis de simuler le comportement des sources d'énergie du véhicule. Enfin le schéma de mise en oeuvre en temps réel est présenté, les modèles étant remplacés par les sous-ensembles réels du banc. Il apparaît, au travers de cette étude, l'intérêt indéniable du véhicule hybride série pour répondre aux insuffisances du véhicule tout électrique limité par son autonomie. Les premiers essais ont montré l'impact direct des lois de gestion de l'énergie et leur performance sur l'usage du véhicule électrique hybride série
This work presents the energy management of a series hybrid vehicle. It is a platform equipped with three sources of energy, two thermal engines involving each one an alternator-rectifier, and a battery. The objective is to provide energy necessary for the operation of the traction motors and the auxiliaries. The study was undertaken by a hierarchical step. The first chapter models the sources of energy while starting with the battery. The estimate of its state of charge is obtained by parametric identification. Then a look-up table model of the thermal engine is developed. Two alternators - converters are modelled and associated to diesel engines. The chapter 2 treats the optimal sharing of power between the two power generating units of which one is at fixed speed and the other at variable speed. The solved problem is an optimization with like constraint the minimization of the fuel consumption. The results obtained show the interest of the group at variable speed at low power. The last part of the report is devoted to simulation and the implementation in real time of the system. This chapter studies the management of the instructions of injection for the thermal engines and the development of the instructions for control of current through the DC side of the rectifiers. The interconnection of the models of the sources to the signals of the calculator or HEART of the system made it possible to simulate the behaviour of the sources of energy of the vehicle. Finally the diagram of implementation in real time is presented, the models being replaced by the real subsets of the bench. It appears, through this study, the undeniable interest of the series hybrid vehicle to answer the insufficiencies of the electric vehicle limited by its autonomy. The first tests showed the direct impact of the laws of energy management and their performance on the use of series hybrid electric vehicle

Cette thèse a pour objectif d'analyser l'impact du système de climatisation sur les véhicules hybrides en utilisant des données de la surconsommation de carburants due à l'utilisation de ces systèmes. Ces données sont obtenues sur des bancs à rouleaux (UTAC et CRF) et des bancs d'essais dédiés aux systèmes de climatisation automobile. Les essais sur la Prius 1 montrent que les gains de consommation dus à l'hybridation sont compromis lorsque le système de climatisation est entraîné par un compresseur mécanique qui oblige à faire fonctionner le moteur thermique à l'arrêt du véhicule. Des compresseurs électriques et hybrides ont été testés. Les boucles de climatisation dans lesquels ils sont intégrés sont simulées via un ensemble de routines MACLIB développées au cours de cette thèse dans le langage Matlab/Simulink. MACLIB est ensuite intégré dans le simulateur "ADVISOR" pour évaluer les surconsommations en carburant de différents systèmes de climatisation installés sur un véhicule hybride de référence. Certaines simulations ont été validées par des essais menés sur le banc à rouleaux de l'UTAC sur la Prius II équipée d'un compresseur électrique. Une fois MACLIB validé, des analyses comparatives de systèmes de climatisation soit mécaniques, soit électriques, soit hybrides (mécanique/électrique) installés sur le véhicule de référence ont été réalisées. Ces analyses s'achèvent par l'évaluation de la surconsommation annuelle de carburant de systèmes de climatisation automobile fonctionnant dans deux conditions climatiques européennes
This dissertation aims at analyzing the impact of the air-conditioning system on hybrid vehicles by using data of the additional fuel consumption due to MAC operation. Those data are obtained on roll benches (UTAC and CRF) and test benches (CEP and VALEO) dedicated to mobile air conditioning systems. Tests on Prius I show that energy savigs due to hybridization are compromised when the air conditioning system is driven by a mechanical compressor, which requires operation of the engine when the vehicle is stopped. Electrical and hybrid compressors have been tested. Air conditioning loops integrating those compressors are simulated via a set of MACLIB routines developed during this thesis in Matlab/Simulink language. MACLIB is then integrated in the ADVISOR simulator in order to evaluate additional fuel consumptions of the different air conditioning systems installed on a reference hybrid vehicle. Some simulations have been validated by tests performed on roll benches at UTAC, on the Prius II equipped with an electric compressor. Once MACLIB has been validated, comparative analyses of air conditioning systems either mechanical, or electrical, or hybrid (mechanical/electrical) installed on the reference vehicle, have been performed. Those analyses end by the evaluation of the annual additional fuel consumption of mobile air conditioning systems operating under two European climatic conditions

Notre travail a porté sur la contribution à la conception d'un outil modulaire pour la simulation de véhicules électriques et hybrides sur des trajets d'usage réel. Notre apport a concerné plus précisément la motorisation asynchrone dont le modèle proposé ici tient compte des contraintes imposées à l'entrée et à la sortie du moteur électrique par le type d'usage du véhicule. En effet, une étude préliminaire concernant l'usage réel d'un véhicule utilitaire électrique de livraison nous a permis de mettre en évidence le domaine et le temps d'utilisation du moteur électrique. Celui ci est amené à fonctionner en surcharge pendant des périodes de courtes durées et à faibles puissances pendant un temps important. Le modèle du moteur asynchrone exposé dans ce travail présente de ce fait des paramètres variables pour tenir compte des phénomènes de saturation magnétique, d'effet de peau dans le rotor et de l'élévation de température. Nous présentons les méthodes pour l'identification de ces paramètres à partir d'essais à vide et en charge du moteur. Les mesures sont effectuées sur un banc d'essai muni d'un onduleur à IGBT et d'une commande vectorielle. Le module de calcul développé autour du modèle identifié permet de calculer les grandeurs électriques et énergétiques en offrant plusieurs possibilités de fonctionnement. Ce module est ensuite intégré dans le logiciel de simulation de véhicules électriques et hybrides VERT de l'INRETS. L'utilisation de ce logiciel nous a permis d'examiner deux solutions à motorisation asynchrone. La première a concerné un véhicule urbain léger dont l'étude des performances et de consommation d'énergie nous ont permis de comparer les différentes stratégies de commandes et de vérifier l'importance de l'usage réel du véhicule. La deuxième a consisté en une chaine de traction à deux moteurs asynchrones pour un véhicule utilitaire de livraison en vue d'une économie d'énergie.

Les véhicules électriques et hybrides font partie des éléments clés pour résoudre les problèmes de réchauffement de la planète et d'épuisement des ressources en combustibles fossiles dans le domaine du transport. En raison des limites des différents systèmes de stockage et de conversion d’énergie en termes de puissance et d'énergie, les hybridations sont intéressantes pour les véhicules électriques (VE). Dans cette thèse, deux hybridations typiques sont étudiées • un sous-système de stockage d'énergie hybride combinant des batteries et des supercondensateurs (SC) ; • et un sous-système de traction hybride parallèle combinant moteur à combustion interne et entraînement électrique. Ces sources d'énergie et ces conversions combinées doivent être gérées dans le cadre de stratégies de gestion de l'énergie (SGE). Parmi celles-ci, les méthodes basées sur l'optimisation présentent un intérêt en raison de leur approche systématique et de leurs performances élevées. Néanmoins, ces méthodes sont souvent compliquées et demandent beaucoup de temps de calcul, ce qui peut être difficile à réaliser dans des applications réelles.L'objectif de cette thèse est de développer des SGE simples mais efficaces basées sur l'optimisation en temps réel pour un VE et un camion à traction hybride parallèle alimentés par des batteries et des SC (système de stockage hybride). Les complexités du système étudié sont réduites en utilisant la représentation macroscopique énergétique (REM). La REM permet de réaliser des modèles réduits pour la gestion de l'énergie au niveau de la supervision. La théorie du contrôle optimal est ensuite appliquée à ces modèles réduits pour réaliser des SGE en temps réel. Ces stratégies sont basées sur des réductions de modèle appropriées, mais elles sont systématiques et performantes. Les performances des SGE proposées sont vérifiées en simulation par comparaison avec l’optimum théorique (programmation dynamique). De plus, les capacités en temps réel des SGE développées sont validées via des expériences en « hardware-in-the-loop » à puissances réduites. Les résultats confirment les avantages des stratégies proposées développées par l'approche unifiée de la thèse
Electric and hybrid vehicles are among the keys to solve the problems of global warming and exhausted fossil fuel resources in transportation sector. Due to the limits of energy sources and energy converters in terms of power and energy, hybridizations are of interest for future electrified vehicles. Two typical hybridizations are studied in this thesis: • hybrid energy storage subsystem combining batteries and supercapacitors (SCs); and• hybrid traction subsystem combining internal combustion engine and electric drive. Such combined energy sources and converters must be handled by energy management strategies (EMSs). In which, optimization-based methods are of interest due to their high performance. Nonetheless, these methods are often complicated and computation consuming which can be difficult to be realized in real-world applications.The objective of this thesis is to develop simple but effective real-time optimization-based EMSs for an electric car and a parallel hybrid truck supplied by batteries and SCs. The complexities of the studied system are tackled by using Energetic Macroscopic Representation (EMR) which helps to conduct reduced models for energy management at the supervisory level. Optimal control theory is then applied to these reduced models to accomplish real-time EMSs. These strategies are simple due to the suitable model reductions but systematic and high-performance due to the optimization-based methods. The performances of the proposed strategies are verified via simulations by comparing with off-line optimal benchmark deduced by dynamic programming. Moreover, real-time capabilities of these novel EMSs are validated via experiments by using reduced-scale power hardware-in-the-loop simulation. The results confirm the advantages of the proposed strategies developed by the unified approach in the thesis

Ce travail de thèse concerne l'amélioration des performances du moteur à courant continu sans balais, dit moteur Brushless (BLDC), et ceux d'un véhicule électrique utilisant ce type de moteur (BLDC) pour sa propulsion. L'objectif de cette thèse est d'apporter de nouvelles méthodes dédiées à la réduction des problématiques concernant ce type de moteur et ainsi augmenter son efficacité pour aboutir à une consommation d'énergie de véhicule électrique plus faible. Cela est effectué tout en tenant compte des différents paramètres entrant en considération lors du roulement d'un véhicule, à savoir les forces résistives tels que les forces aérodynamiques, de roulement, de pente, et de l'accélération. Une plateforme expérimentale a été ainsi mise en œuvre et sur laquelle les méthodes élaborées y ont été implantées et prouvées après l'analyse des résultats analytiques et ceux de simulation. Ces derniers ont été élaborés sur l'environnement MATLAB/Simulink. Les méthodes proposées traitent les problématiques en relation avec l'ondulation de courant, les pics de courant, et aussi le mode de contrôle adéquat pour une efficacité accrue
This thesis concerns the improvement of brushless DC motor performance, called Brushless motor (BLDC), and of an electric vehicle using this type of motor (BLDC) for its propulsion. The aim of this thesis is to provide new methods dedicated to the reduction of problems concerning this type of engine and thus increase its efficiency to achieve a lower electric vehicle energy consumption. This is done while taking into account the different parameters that come into consideration when rolling a vehicle, namely the resistive forces such as aerodynamic forces, rolling, slope, and acceleration. An experimental platform was thus implemented and on which the elaborated methods were implemented and proved after the analysis of the analytical and simulation results. These were developed on the MATLAB / Simulink environment. The proposed methods deal with problems related to current ripple, current peaks, and also the appropriate control mode for increased efficiency

L'objectif premier des travaux thèse est de réduire la consommation d'essence d’un véhicule hybride parallèle en réponse à une requête du conducteur. Après modélisation des transferts énergétiques au sein du véhicule, des algorithmes de contrôle locaux ont été développés pour déterminer le rapport de boîte et la répartition optimale de couple entre les motorisations en minimisant un critère incluant les aspects de consommation et d'agrément de conduite. Un second point consiste à déterminer les comportements optimaux d'un véhicule sur un trajet connu a priori. Une optimisation globale permettant de déterminer la consommation minimale a été développée. L'analyse des résultats permet alors, avec un système de navigation, d’améliorer les algorithmes locaux pour mieux gérer les changements de rapport et le niveau de charge de la batterie. Pour valider cette approche, des tests de prototypage rapide et des test sur véhicule ont été réalisés
The main aim of the study is to determine the minimal fuel consumption of a parallel hybrid vehicle that fulfill the driver's request. First, a model representing the energy flows inside the vehicle was set. Then local control algorithms were developed to determine the optimal gear ratio and torque repartition between the motors by minimizing a criterion including consumption and driveability aspects. A second point of the thesis consists in extracting the optimal behavior of the car on a planned trip. A global optimization that computes the minimal consumption on the planned trip was developed. Considering a vehicle with a navigation system, the analysis of the results allows to improve the gear ratio and the battery charging management of the local algorithms. Fast prototyping tests and vehicle tests were made to validate this approach

La crise énergétique et environnementale ont promu le gouvernement à prendre des mesures vigoureuses pour stimuler la transition énergétique et accélérer la croissance verte. Dans cette politique, les véhicules électriques (VE) constituent à terme une réelle réponse aux problématiques actuelles. Leur insertion dans le système électrique a poussé l’ensemble des acteurs et notamment les gestionnaires de réseaux de distribution à privilégier une modernisation des réseaux électriques. Assimilée à la thématique des Smart Grids, la thèse vise à apporter des éléments de réflexion au concept de la gestion de la demande appliquée aux VE. La première partie de ce travail expose une méthodologie d’évaluation de l’impact technico-économique des VE sur les réseaux de distribution HTA/BTA. Ensuite, pour soulever cette problématique, une prospection des services du pilotage de charge orientés réseaux et marché est menée en deuxième partie. Une démarche d’analyse des pistes de valorisation a permis de dégager les services à forte contribution économique. A ce titre, une méthodologie de conception de stratégies de supervision optimisées est proposée. Son application a permis de tirer des conclusions sur la valorisation financière et environnementale des effacements de charges de VE. Les résultats de simulation sont employés pour une étude de rentabilité technico-économique. Ensuite, le comportement des réseaux de distribution face aux algorithmes de supervision est étudié par une approche de co-simulation. Enfin, les principes Smart Grids sont analysés et validés via des expérimentations réalisées sur un démonstrateur hybride interfaçant un simulateur temps réel avec du matériel physique
Energy and environmental crisis have prompted the government to take strong measures to stimulate energy transition and accelerate green growth. In this context, electric vehicles (EVs) are considered as a real solution to deal with the current problems. Their integration into the electrical system promotes distribution system operators to develop smart solutions in this field. Concerning the Smart Grids concept, the present work aims to provide answers to a wide range of questions for demand side management program using plug-in EVs charging strategies. The first section of this PhD project, presents a methodology to assess technical and economic impacts of EVs charging on Medium and Low voltage distribution networks. Afterwards, analyses about the competitive EVs load management ancillary services are conducted in the third chapter. By comparing potential and opportunities of each ones, three ancillary services for electricity market contribution were selected. In this context, a methodology for designing energy management strategies is proposed. The latter is applied to the selected ancillary services to assess the financial contribution of the developed strategies. Environmental aspects and Wind-to-Vehicle concept are also evaluated. Furthermore, thanks to a co-simulation interface, the interactions between supervision strategies and real distribution networks are analyzed. The last section presents a Hardware-in-the-loop demonstrator using a real time simulator, smart meters and EVs charging stations. Through experiments, communication constraints and Smart Grids principles are evaluated and validated

Le véhicule hybride électrique dispose de deux sources d’énergie distinctes pour se mouvoir : le carburant, ainsi qu’un système de stockage électrique ayant la particularité d’être réversible. La loi de gestion d’énergie a pour objectif de superviser les flux de puissance dans le groupe motopropulseur en intervenant sur le point de fonctionnement des organes de celui-ci, et ce dans le but d’optimiser un critère donné. La loi de gestion d’énergie se formalise donc par un problème de commande optimale dont le critère à minimiser tient compte de la consommation de carburant du véhicule sur un trajet donné. La solution de ce problème peut se calculer hors ligne lorsque toutes les données du trajet sont parfaitement connues à l’avance, hypothèse qui n’est plus admissible pour une stratégie embarquée sur véhicule dont l’objectif est alors de s’approcher au maximum du résultat optimal. Les travaux présentés dans ce manuscrit mettent en avant la commande optimale orientée multi-objectif pour répondre à la problématique du compromis inter-prestations au coeur du développement d’un véhicule de série. Une loi de gestion d’énergie tenant compte du compromis entre consommation et agrément de conduite, ainsi qu’une autre traitant le compromis entre consommation et vieillissement batterie sont proposées. Les stratégies présentées s’inscrivent également dans une approche modulaire tirée de la solution de nature transversale issue de l’Equivalent Consumption Minimization strategy (ECMS). Ainsi, la commande du véhicule hybride rechargeable, du Mild-Hybride, ainsi que d’architectures hybrides complexes disposant d’une transmission automatique, de deux machines électriques ou deux systèmes de stockage électriques, est ici traitée à travers un socle commun. Cette approche permet de réduire le temps de développement des stratégies qui partagent un maximum d’éléments communs
The hybrid electric vehicle uses two different energy sources to propel itself: fuel as well as a reversible electric storage system. The energy management strategy aims at supervising the power flows inside the powertrain by choosing the operating points of the different components so as to optimize a given criterion. The energy management strategy is formulated as an optimal control problem where the criterion to be minimized takes into account the total fuel consumption of the vehicle on the considered trip. The optimal solution can be calculated off-line when the vehicle’s mission is perfectly known, an assumption no longer admissible for an embedded strategy whose main objective is to get as close as possible to the optimal result. The work presented in this manuscript highlights the potential of multi-objective optimal control to handle the features’ trade-offs inherent to the development of production vehicle. An energy management strategy taking into account the trade-off between fuel consumption and drivability, as well as one dealing with the trade-off between fuel consumption and battery state of health, are proposed. The presented strategies share a modular approach following the transversal solution of the Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS). As a result, the control policy of the plug-in hybrid electric vehicle, the Mild-Hybrid, together with complex hybrid architectures provided with an automated transmission, two electric machines or two electric storage systems, is tackled through a common base. This approach allows to reduce the development period of the energy management strategies which shares a maximum of common elements

Aujourd'hui, les véhicules sont devenus de plus en plus sophistiqués, intelligents et connectés. En effet, ils sont équipés de capteurs, radars, GPS, interfaces de communication et capacités de traitement et de stockage élevés. Ils peuvent collecter, traiter et communiquer les informations relatives à leurs conditions de travail et leur environnement formant un réseau véhiculaire. L'intégration des technologies de communication sur les véhicules fait l'objet d'une immense attention de l'industrie, des autorités gouvernementales et des organisations de standardisations; elle a ouvert la voie à des applications innovantes qui vont révolutionner le marché de l'automobile avec les principaux objectifs d'assurer la sécurité sur les routes, augmenter l'efficacité des transports et offrir un confort aux conducteurs et passagers. En outre, le transport est un secteur en évolution active. Des moyens de transport plus durables comme les véhicules électriques s'introduisent progressivement sur le marché de l'automobile tout en créant de nouveaux défis liés à la contrainte énergétique et la protection de l'environnement qui restent à résoudre.De nombreux projets et études ont été initiés exploitant les avantages des technologies de l'information et de communication (TIC) afin de répondre aux différents défis des systèmes de transport. Cependant, avoir des véhicules connectés et coopératifs crée un réseau hautement dynamique caractérisé par des ruptures de lien et de pertes de messages très fréquentes. Pour résoudre ces problèmes de communication, cette thèse se concentre sur deux axes majeurs: (i) le véhicule connecté (ou mobilité connectée) et (ii) la mobilité durable. Dans la première partie de cette thèse, la diffusion, la collecte et l'acheminement de données dans un réseau de véhicule sont adressés. Ainsi, un nouveau protocole de diffusion est proposé afin de faire face à la fragmentation et la connectivité intermittente dans ces réseaux. Ensuite, une nouvelle stratégie de déploiement d'infrastructure de communication est conçue afin d'améliorer la connectivité réseau et l'utilisation des ressources. Enfin, un nouveau protocole de routage, pour applications sensibles au délai, utilisant cette nouvelle infrastructure de communication est proposé. La deuxième partie se concentre sur la mobilité durable avec un focus sur les véhicules électriques et avec un objectif de réduire les problèmes de pollution et d'utiliser efficacement l'énergie. Une nouvelle architecture de gestion de flottes de véhicules électriques est proposée. Cette dernière utilise les protocoles implémentés dans la première partie de cette thèse afin de collecter, traiter et diffuser les données. Elle permet de surmonter les limitations liées à la courte autonomie des batteries des véhicules électriques. Ensuite, pour répondre aux besoins et défis d'équilibre énergétique, un nouveau schéma de déploiement des stations de recharge pour véhicules électriques est proposé. Cette solution permet de satisfaire les demandes des conducteurs en terme d'énergie, tout en tenant compte les capacités énergétiques disponibles
Today, vehicles have become more sophisticated, intelligent and connected. Indeed, they are equipped with sensors, radars, GPS, communication interfaces and high processing and storage capacities. They can collect, process and communicate information related to their working conditions and their environment forming a vehicular network. The incorporation of communication technologies on vehicles garnered a huge attention of industry, government authorities and standardizations organizations and opened the way for innovative applications that revolutionized the automotive market with the main goals to ensure safety on roads, increase transport efficiency and provide comfort to drivers and passengers. In addition, transportation is still an actively evolving sector. More sustainable means of transportation such as electric vehicles are introduced progressively to the automotive market with new challenges related to energy consumption and environment preservation that remain to be solved. Many research investigations and industrial projects are done to exploit the advantages of information and communication technologies (ICT) to fit with transportation challenges. However, having connected and cooperative vehicles creates a highly dynamic network characterized by frequent link breaks and message losses. To cope with these communication limitations, this thesis focuses on two major axis: (i) connected vehicle or connected mobility and (ii) sustainable mobility. In the first part of this thesis, data dissemination, collection and routing in vehicular networks are addressed. Thus, a new dissemination protocol is proposed to deal with frequent network fragmentation and intermittent connectivity in these networks. Then, a new deployment strategy of new communication infrastructure is developed in order to increase network connectivity and enhance the utilization of the network resources. Finally, a new routing protocol, for delay-sensitive applications, that uses the optimized infrastructure deployment is proposed. The second part focuses on sustainable mobility with a focus on electric vehicles and with the main objective is to reduce pollution issues and make better use of energy. A new architecture for electric vehicles fleet management is proposed. This latter uses the implemented protocols of the first part of this thesis in order to collect, process and disseminate data. It helps to overcome the limitations related to short autonomy of electric vehicles. Then, to meet energy balance challenges, a new deployment scheme for electric vehicles charging stations is developed. This solution helps to satisfy drivers’ demands in term of energy while taking into account available resources

Dans les véhicules hybrides électrique-essence, les stratégies de gestion de l’énergie déterminent la répartition des flux d'énergies des moteurs thermique et électrique avec pour objectif classique la réduction de la consommation. Par ailleurs, pour respecter les seuils réglementaires d’émissions polluantes, les motorisations essence sont équipées d’un catalyseur 3-voies chauffé par les gaz d’échappement. Une fois amorcé, ce catalyseur convertit presque entièrement les émissions polluantes du moteur. C’est donc au démarrage que la plupart de la pollution est émise, lorsque le catalyseur est froid et que la pollution du moteur n’est pas convertie. La chauffe du catalyseur est donc l’étape clé de la dépollution. Ce mémoire propose une démarche de prise en compte des émissions polluantes par la gestion d’énergie. Le véhicule hybride est assimilé à un système dynamique à deux états, l’état de charge batterie et la température du catalyseur. Un problème d’optimisation dynamique est défini, qui minimise un critère original pondérant judicieusement la consommation et les émissions polluantes. La théorie de la commande optimale, avec les Principes du Minimum de Pontryaguine et de Bellman, permet de résoudre ce problème d’optimisation. Des stratégies optimales sont déduites et simulées avec un modèle de véhicule intégrant un modèle thermique multi-zones de catalyseur, validé expérimentalement, qui simule précisément la chauffe. Le compromis entre la consommation et la pollution est exploré. Une stratégie de chauffe du catalyseur, plus méthodique, analytique et efficace que les stratégies empiriques actuelles, est alors proposée. Cette stratégie est validée expérimentalement dans un environnement HyHIL (Hybrid Hardware In the loop). Une importante réduction de la pollution est obtenue, confortant l’approche d’optimisation dynamique pour la mise au point des stratégies de gestion d’énergie du véhicule hybride
In hybrid gasoline-electric vehicles, the energy management strategies determine the distribution of engine and motor energy flows with fuel consumption reduction as classical objective. Furthermore, to comply with pollutant emissions standards, SI engines are equipped with 3-Way Catalytic Converters (3WCC) heated by exhaust gases. When 3WCC temperature is over the light-off temperature, engine pollutant emissions are almost totally converted. Most of the pollution is produced at the vehicle start, when the 3WCC is cold and the engine pollution is not converted. The 3WCC heating is thus the key aspect of the pollutant emissions. This dissertation proposes an approach to take into account pollutant emissions in energy management. The hybrid electric vehicle is considered as a dynamic system with two states, the battery state of charge and 3WCC temperature. A dynamic optimization problem is defined, minimizing an original criterion weighting judiciously fuel consumption and pollutant emissions. Optimal control theory, with the Pontryaguine Minimum and Bellman principles, allows solving this optimization problem. Optimal strategies are derived and simulated with a vehicle model including a multi-zones 3WCC thermal model, experimentally validated, which simulates precisely the 3WCC heating. The compromise between fuel consumption and pollutant emissions is explored. Then, an innovative 3WCC heating strategy is proposed and validated experimentally in a HyHIL (Hybrid Hardware In the loop) environment. A significant reduction of the pollutant emissions is obtained, strengthening the dynamic optimal approach to set up the energy management strategies for hybrid vehicles

Les réseaux intelligents, ou Smart Grids, résultent de la combinaison des réseaux électriques et des nouvelles technologies de l'information et de la communication. Ils s'accompagnent de changements de paradigmes comme l'insertion importante de production décentralisée et le développement de nouveaux modes de consommation, comme les véhicules électriques et les « consom'acteurs ». Des contraintes apparaissent ainsi sur des réseaux vieillissants et non dimensionnés pour ces nouveaux usages. Cette thèse étudie l'impact des nouveaux paradigmes sur les techniques de planification des réseaux électriques de distribution. Un premier outil utilisant un algorithme de recuit simulé adapté et des méthodes issues de la théorie des graphes a été développé pour dimensionner les réseaux à moindre coût, selon les règles usuelles de planification. Dans un second temps, une méthodologie combinant une approche de type Monte Carlo et la construction de profils annuels de charge a été proposée pour analyser l'impact de la production décentralisée et des véhicules électriques dans un contexte soumis à des incertitudes. La troisième étape du travail a été de mettre en place des fonctions avancées de conduite comme alternative aux solutions de renforcement, très coûteuses. Un regard particulier est porté sur les stratégies d'effacement. Enfin, une nouvelle planification opérationnelle combinant les précédents outils développés a été créée afin d'évoluer vers une planification des réseaux intelligents
The Smart Grids are the combination of electrical networks and new information and communication technologies. They deal with a change of paradigms that are the insertion of distributed generation and the development of new forms of consumption, such as electric vehicles and prosumers. These changes induce many constraints on networks both aging and historically not sized for this context. This thesis studies the impact of these paradigms on the rules for electrical distribution networks planning. A first tool using an adapted simulated annealing algorithm and methods from graph theory was developed to size the networks at low cost, according to the usual rules for planning. Secondly, a methodology combining a Monte Carlo approach and the construction of annual load profiles was proposed to analyze the impact of distributed generation and electric vehicles in an environment subject to uncertainties. The third stage of the work was to implement advanced distribution automations as an alternative to reinforcement, which is very expensive. This part is focused on demand side management. Finally, a new operational planning combining the previous developed tools was created to move towards the planning of the Smart Grids

Les bus électriques à batterie (BEB) représentent une solution prometteuse pour remplacer les flottes de bus diesel actuelles consommant des énergies fossiles grâce à leur efficacité énergétique élevée et à leur potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre et à l’absence d’émissions de polluants atmosphériques locaux. Cependant, cette technologie doit faire face à plusieurs défis, en particulier le coût total de possession (TCO) élevé et des contraintes opérationnelles comme l’autonomie des bus, le temps et le lieu de recharge. Cette thèse présente une méthodologie systématique qui vise à développer des solutions pour surmonter ces défis en fournissant un dimensionnement des batteries et une stratégie de recharge optimales pour les BEB. D'abord, un modèle énergétique multi-physique de bus est développé pour évaluer ses besoins énergétiques en prenant en considération ses différents systèmes énergétiques. Ensuite, la consommation d'énergie du bus est évaluée dans plusieurs conditions de fonctionnement afin de quantifier sa consommation d'énergie réelle. Un modèle techno-économique d'une ligne de bus est développé afin d'évaluer l'impact des différentes stratégies de dimensionnement et de recharge des batteries sur les coûts et le fonctionnement du BEB. Ensuite, un modèle TCO est introduit en tenant compte les coûts unitaires BEB, les coûts d'achat et de remplacement des batteries, les coûts d'électricité, les coûts d'infrastructure et de maintenance. L'analyse des résultats d’un cas d’étude à Paris souligne les compromis entre le TCO et les perturbations et les retards des horaires du BEB en fonction des différentes tailles de batterie et stratégies de recharge. Enfin, une méthodologie minimisant le TCO est proposée en déterminant un dimensionnement des batteries et une stratégie de recharge optimales pour la flotte de BEB tout en garantissant l'absence de perturbation des horaires ou des interruptions du service. Elle repose sur une optimisation en deux étapes qui utilise à la fois la programmation dynamique et un algorithme génétique. Les résultats montrent que la méthodologie proposée pourrait réduire le TCO du BEB entre 15-25% par rapport aux approches actuellement adoptées
Initiatives to decrease emissions from the transport sector are increasing worldwide by seeking alternative technologies to replace oil-based mobility. Battery Electric Buses (BEB) present a promising solution thanks to their high energy efficiency, low greenhouse gas emissions and the absence of local pollutant emissions. However, this technology still faces many challenges, especially its high total cost of ownership (TCO) and other operational factors such as the limited bus driving range, the high energy refueling time, and the required charging technologies and strategies. In this context, this thesis presents a systematic methodology that aims at developing solutions to help overcoming these challenges by providing optimal battery sizing and charging strategy for BEB. First, a comprehensive multi-physical bus energy model is developed to evaluate its energy needs considering all the energy systems encountered within. The energy consumption of the bus is then evaluated at a variety of operating conditions. Then, a techno-economic model of an entire bus line is developed in order to assess the impact of different battery sizing and charging strategies on the costs and operation of BEB. A TCO model is introduced considering the BEB unit costs, battery purchase and replacement costs, energy and power costs, infrastructure, and maintenance costs. A case study in Paris city is presented and the analysis reveals the resulting tradeoff between the TCO and BEB schedule disruptions and delays as function of different battery sizes and charging strategies. A methodology to minimize the TCO of BEB deployment is presented providing the optimal battery sizing and charging strategy for BEB, while respecting the BEB operation constraints. The methodology is a 2-step optimization algorithm that utilizes both Dynamic programming and Genetic Algorithm optimization routines. The results show that the proposed methodology could reduce the BEB TCO between 15-25% compared to the currently adopted approaches to deploy BEB

Pour maximiser la contribution des véhicules hybrides électriques (HEV) à la décarbonation du secteur des transports, il est essentiel de prendre en compte leur performance énergétique lors de la phase de conception. Cependant, les chemins supplémentaires de flux de puissance pour la propulsion agissent à la fois comme un avantage et comme une couche supplémentaire de complexité dans la conception du véhicule. En effet, évaluer la consommation d'un HEV nécessite la définition d'un contrôle de supervision, appelé Loi de Gestion d'Énergie (LGE). Ainsi, optimiser la conception exige la combinaison d'un problème d'optimisation statique (la structure du système) avec un problème dépendant du temps (son contrôle), qui doivent être pris en compte de manière conjointe.Cette co-optimisation structure/contrôle est généralement abordée soit en imbriquant des algorithmes de contrôle optimal dans un algorithme d'optimisation général pour la structure, soit en utilisant de l'optimisation convexe pour optimiser simultanément les deux niveaux. Cependant, la première approche est connue pour avoir des contraintes computationnelles, tandis que la seconde peut affecter la fidélité de la modélisation en raison de contraintes de convexité.Sous une nouvelle perspective, cette thèse introduit une méthodologie pour développer des modèles explicites pour estimer la consommation d'énergie de groupes motopropulseurs, nommés dans ce travail Modèle Explicite de Consommation du Groupe Motopropulseur (EPCM). Ils sont développés à l'aide de modèles de composants pour considérer les pertes de puissance, puis en introduisant un deuxième niveau de modélisation pour prendre en compte l'impact des variations de dimensionnement sur l'estimation des pertes. Une telle formulation peut être utilisée comme une fonction objectif efficace d'un problème d'optimisation qui reste statique, tout en permettant une analyse explicable par l'homme pour des problèmes réduits.La thèse présente le développement de la méthodologie en utilisant un véhicule hybride électrique à pile à combustible (FCHEV) comme véhicule de référence. Outre la modélisation des composants couramment présents dans les véhicules électriques, elle inclut un modèle pour le système de pile à combustible, tout en considérant également des modèles pour l'électronique de puissance, souvent négligée dans ce type d'études. Elle présente d'abord les modèles de composants pris en compte, puis les modèles de variation de dimensionnement (les modèles prédictifs), avant de développer les EPCMs et de les utiliser pour la co-optimisation.La validation des modèles de composants à l'aide d'une Toyota Mirai II sur un banc à rouleaux présente une erreur globale de moins de cinq pour cent, tandis que l'étude visant à évaluer l'impact des modèles prédictifs sur la consommation d'hydrogène a donné des erreurs inférieures à deux pour cent par rapport aux modèles de référence. Ensuite, une évaluation de l'utilisation des EPCM explore les hypothèses nécessaires pour garantir une formulation explicite, et la co-optimisation du groupe motopropulseur de la Mirai II montre qu'un EPCM utilisant une LGE affine est une approximation raisonnable pour la co-optimisation aux premières étapes de conception du véhicule, tout en réduisant le temps d'évaluation d'un facteur de 100. Cette étude est ensuite étendue avec des problèmes réduits pour observer l'impact du dimensionnement de l'EM uniquement, puis du niveau d'hybridation, aboutissant à des expressions linéaires et quadratiques pour la consommation de carburant et les contraintes d'optimisation, qui peuvent être utilisées pour dériver rapidement des analyses de la performance énergétique du véhicule.Bien que les résultats montrent que l'état actuel de la méthodologie peut être utilisé pour la co-optimisation des FCHEV, la thèse explore davantage les points d'amélioration de la méthodologie et suggère des applications alternatives pour consolider sa validité et sa pertinence
To maximize the contribution of hybrid electric vehicles (HEV) to the decarbonization of the transportation sector, it is essential to maximize their energy performance during the design phase. However, the additional power pathways to propel the vehicle act both as an advantage and an added layer of complexity. Indeed, evaluating the consumption of an HEV requires defining a supervisory control, known as Energy Management Strategy (EMS). Therefore, optimizing the design entails combining a static optimization problem (system's plant) with a time-dependent problem (its control), both of which must be considered in tandem.This plant/control co-optimization is typically tackled through either nesting optimal control algorithms within each iteration of a general optimization algorithm for the plant, or employing convex optimization to simultaneously optimize both layers. However, the former approach is known to be limited by computational constraints, while the latter may impact modeling fidelity due to convexity constraints.As a different perspective, this thesis introduces a methodology for developing explicit models to estimate powertrain energy consumption, referred to in this work as the Explicit Powertrain Consumption Model (EPCM). They are developed using component models to account for power losses, then by introducing a second modeling level to consider the impact of sizing variations on loss estimation. Such a formulation can be used as a computationally efficient objective function of an optimization problem that remains static, while enabling human-explainable analysis for reduced problems.The thesis presents the methodology development while using a Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle (FCHEV) as a reference vehicle. Besides modeling components commonly found in electric vehicles, it includes a model for the fuel cell system, while further considering models for the power electronics, often overlooked in vehicle design studies. It first introduces the considered component models, then the models for the sizing variation (i.e., the predictive models), before developing the EPCMs and using them for the co-optimization.The validation of the component models using a Toyota Mirai~II on a roller test bench presents an overall error of less than five percent, while the study to assess the impact of the predictive models on the hydrogen consumption resulted in errors below two percent when compared to reference models. Then, an assessment of the usage of EPCMs explores the assumptions required to ensure an explicit formulation; and the co-optimization of the Mirai~II powertrain shows that an EPCM using an affine EMS can be a fair approximation for the co-optimization at the vehicle's first design stages, while reducing the evaluation time by a factor of 100. This study is further extended with reduced problems to observe the impact of the EM sizing only, then of the hybridization level, resulting in linear and quadratic expressions for the fuel consumption and the optimization constraints, which can be used to quickly derive analyses of the vehicle's energy performance.Although the results show that the current state of the methodology can be used for the co-optimization of FCHEVs, the thesis further explores its improvement points and suggests alternative applications to solidify its validity and relevance

Dans ce travail nous nous sommes penchés sur le transfert de puissance optimal par la maîtrise des comportements du véhicule de distribution à deux essieux. Nous avons étudié, plus particulièrement, l’énergie consommée par un véhicule hybride dans une zone urbaine ou péri-urbaine. Ce contexte nous a conduits à étudier l’utilisation d’une dynamique régénérative prenant en compte la dynamique transversale du véhicule sur une diversité d’architectures associée à une méthode de contrôle d’un système sur-actionné. Pour faire cela, nous avons développé : (i) un banc d’essais virtuel modulaire pour faire des études en termes énergétique d’un véhicule hybride de distribution, (ii) une architecture de contrôle optimal en vue de déterminer les commandes des actionneurs d’un système sur-actionné, (iii) et une dynamique régénérative afin de gérer l’énergie en prenant en compte la dynamique transversale qui est souvent présente lors de l’usage du véhicule en milieu urbain. Les modules du banc d’essais virtuel construits dans ce travail permettent de faire des études de l’énergie consommée pour toutes les architectures du véhicule envisagées sans changer les modèles de chaque module. Ce banc est composé d’un modèle complet du comportement de la dynamique du véhicule, d’un modèle du système de direction, d’un modèle des systèmes de traction et de freinage et d’un modèle des composants électriques. Tous les modèles de ce banc ont été validés par des expériences. Ceux-ci nous assurent la capacité de valider et justifier les lois de commande ainsi que d’évaluer les termes de l’énergie consommée. Un module de l’architecture de contrôle optimal a également été construit dans ce travail. Il nous a servi à déterminer la commande optimale des actionneurs par l’utilisation de l’allocation de contrôle et pour simuler les comportements de toutes les architectures du véhicule en utilisant les contraintes liées à celles-ci. Les analyses des résultats obtenus montrent que l’architecture de contrôle optimal proposée est suffisante pour déterminer les commandes des actionneurs ainsi que pour garantir la stabilité du véhicule malgré qu’aucun critère de ce genre ne soit intégré dans le problème d’optimisation. Les gains possibles par rapport à l’architecture conventionnelle, qui ont été déterminés, assurent que l’approche proposée permet effectivement de réduire l’énergie consommée par le véhicule. Les études paramétriques de la dynamique régénérative du véhicule démontrent que les systèmes sur-actionnés permettent de récupérer de l’énergie dans les cas où les actionneurs ont un très bon rendement. Dans ce cas, le principe de la dynamique régénérative est une voie d’amélioration pour les véhicules de distribution (charge importante et conditions d’utilisation en milieu urbain)
In this work, we have studied the energy optimal transfer by controlling the delivery vehicle behaviors. We studied, in particular, the energy consumed by a hybrid vehicle in the urban area. This context led us to investigate the use of a regenerative dynamics by taking into account the vehicle lateral dynamics on a variety of architectures associated with a method for controlling an over-actuated system. To do this, we have developed: (i) a modular virtual test bench to study the energy terms of delivery hybrid vehicle, (ii) an optimal control to determine the actuator inputs of over-actuated system, (iii) and regenerative dynamics to manage energy by taking into account the vehicle lateral dynamics. The virtual test bench constructed in this work allow for studies of the energy consumed for all architectures without changing of each module. This bench is composed the models of vehicle dynamics, steering, traction, braking, and electrical components systems. All models of this bench have been validated by experiments. It provides us the ability to validate and justify the control inputs of actuators and to evaluate the energy consumed terms. The optimal control module by using the allocation controller was also built in this work. It allows us to determine the optimal inputs of the actuators and to simulate the behaviors of all vehicle architectures under the constraints related with different architectures. The results show that the allocation controller is sufficient to determine the actuator inputs and to ensure the vehicle stability without the integration of additional criteria in the optimization problem. The energy gains in comparison with conventional architecture, which have been determined, ensure that the proposed approach effectively reduce the energy consumed by the vehicle. The parametric studies show that the regenerative dynamics can be used to recover energy in the case where the actuators have a very good performance and fast dynamics. In this case, the principle of regenerative dynamics is being improved for delivery vehicles (heavy load and in urban areas)

La gestion énergétique (EMS) pour véhicules hybrides a pour objectif de déterminer la répartition de puissance entre les différentes sources d'énergie de manière à minimiser la consommation de carburant et/ou les émissions polluantes. L'objectif de cette thèse est de développer un EMS en prenant en compte des températures internes (la température du moteur et/ou la température du système de post-traitement). Dans une première partie et en utilisant une connaissance préalable du cycle de conduite, le calcul d'un EMS est formulé comme un problème de commande optimale. Ensuite, le principe du minimum de Pontryagin (PMP) est utilisé pour résoudre ce problème d'optimisation.~En se basant sur les résultats numériques obtenus, un compromis entre les performances de la stratégie de commande et de la complexité du modèle utilisé pour la calculer est établi. Les différents problèmes étudiés dans cette thèse sont des exemples des simplifications successives de modèle qui peuvent être regroupées dans le concept des perturbations régulières en contrôle optimal sous contrainte de commande discuté ici. Dans une deuxième partie, la formulation de l'ECMS a été généralisée pour inclure les dynamiques thermiques. Ces extensions définissent des stratégies sous-optimales que nous avons testées numériquement et expérimentalement
Energy management system (EMS) for hybrid vehicles consists on determining the power split between the different energy sources in order to minimize the overall fuel consumption and/or pollutant emissions of the vehicle. The objective of this thesis is to develop an EMS taking into account the internal temperatures (engine temperature and/or catalyst temperature). In a first part and using a prior knowledge of vehicle driving cycle, the EMS design is formulated as an optimal control problem. Then, the PMP is used to solve this optimization problem. Based on the obtained numerical results, some trade-off between performance of the control strategy and complexity of the model used to calculate this strategy is established. The various problems studied in this thesis are examples of successive model simplifications which can be recast in the concept of regular perturbations in optimal control under input constraints discussed here. In a second part, the feedback law of ECMS is generalized to include thermal dynamics. This defines sub-optimal feedback strategies which we have tested numerically and experimentally