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The transportation sector is a major contributor to both air pollution and greenhouse gas emissions. Hybrid electric vehicles can reduce fuel consumption and CO2 emissions by optimizing the energy management of the powertrain. This study examines the trade-off between regulated pollutant emissions and hybrid powertrain efficiency. In the first part of the work, three-dimensional dynamic programming is used with a weighted objective function to determine the optimal distribution of a power request between the thermal engine and the electric motor. In the second part, we modify the control variable in order to take into account the engine actuators (intake pressure, air fuel ratio, and ignition timing). The purpose of this second control problem is to identify the potential differences between conventional solutions and optimal engine control in the context of hybridization. The thermal dynamics of the three-way catalyst are taken into account in order to model the aftertreatment efficiency. Experimental campaigns are conducted on spark-ignition engines to introduce simplified models for emissions, exhaust gas temperature, catalyst heat transfers and efficiency. The convergence of the results is analyzed with respect to the discretization parameters. Parametric studies evaluate the influence of the weighting factor, driving cycle (NEDC, WLTC), electric motor and battery sizing, as well as emission and catalyst modeling parameters. We assess the impact of including the sparkignition engine’s actuators as control variables, focusing on the interdepence between the three parameters (intake pressure, air fuel ratio, and ignition timing). We discuss the difference between the optimal engine control that we calculated for a hybrid vehicle and the standard approach in a conventionnal powertrain., Le secteur des transports est un des principaux contributeurs aux émissions de gaz à effet de serre et à la pollution de l’air. Les véhicules hybrides électriques ont été introduits pour réduire la consommation de ressources fossiles et les émissions de CO2 en optimisant l’efficacité énergétique de la motorisation. Cette thèse s’intéresse au compromis qui peut exister entre cet objectif et la réduction des émissions de polluants réglementés. Dans la première partie du travail, la programmation dynamique à trois dimensions est utilisée avec une fonction objectif qui pondère les deux critères pour déterminer la répartition optimale de puissance entre le moteur thermique et la machine électrique. La seconde partie consiste à introduire les paramètres de contrôle rapproché du moteur thermique (pression d’admission, richesse et avance à l’allumage) dans la méthode d’optimisation. L’objectif est d’identifier les différences potentielles entre la commande optimale du moteur hybridé et les stratégies habituellement utilisées pour les véhicules conventionnels. La dynamique thermique du catalyseur trois voies est modélisée pour évaluer l’efficacité du système de dépollution. Des campagnes de mesures sur deux moteurs à allumage commandé permettent de formuler des modèles simplifiés des émissions de la température des gaz, des coefficients de transferts thermiques et des efficacités du catalyseur. La convergence des résultats est validée au regard des paramètres d’optimisation (finesse de la discrétisation en particulier). Des études paramétriques permettent d’évaluer l’influence sur les résultats du facteur de pondération, du cycle de conduite (NEDC, WLTC), du dimensionnement des composants, et de certains paramètres de modélisation. L’optimisation du contrôle rapproché du moteur est analysée, en particulier concernant l’interdépendance entre les trois variables considérées. La différence entre les stratégies conventionnelles de contrôle du moteur et les résultats obtenus est discutée.

Technology advancements increase the complexity of energy systems which bring additional varieties of sources and possible architectures to choose. If the economic and ecological context is also included, the automobile industry is in_uenced to align their production to hybrid or battery electric vehicles that have sophisticated energy management system. Thus, researchers and designers have oriented their studies for system design, optimisation and energy management that take into consideration the constructor tendencies : i) increasing vehicle performances, ii) having less polluting vehicles by reducing fuel consumption and iii) decreasing the time needed for design and validation process. Against these problematics, an approach that assists the system designer to fully characterize the energy management system of a HEV is proposed. This characterization consists : i) choosing powertrain architecture, ii) component (units) sizing and iii) energy management controller. In order to accomplish these tasks, a functional energetic modelling method is proposed. Proposed functional modelling level has a level of abstraction _just necessary_ which permits to have energetic analysis for a series of use case. This method relies on local control loops, a global controller and basic equations and it allows to have a modular optimisation for any architecture changes. The second-stage in the validation is completed by adapting the functional model in order to obtain the high-level controller for the multi-physical level with two offered steps : i) adjustment the functional elements' parameters and ii) interconnection the functional and multi-physical models. After the illustration of the demonstrator of a HEV, three strategies for energy management is proposed : i) based on rules, ii) based on PFC with power sharing function and iii) based on PFC with booster function. The proposed energy management strategies then compared by performance indicators (fuel consumption, number of on/off cycles of engine powertrain and corrected fuel consumption with variation of state of charge of electrical storage) with defined use cases., Les progrès technologiques augmentent la complexité des systèmes énergétiques, ce qui permet d'avoir variés sources et architectures possibles. Si le contexte économique et écologique est également pris en compte, l'industrie automobile est menée à aligner sa production sur des véhicules hybrides ou électriques qui disposent d'une gestion de l'énergie sophistiquée. Ainsi, les études pour la conception sont orientées à l'optimisation et à la gestion de l'énergie en tenant compte les tendances des constructeurs : i) augmenter les performances des véhicules, ii) avoir des véhicules moins polluants en réduisant la consommation de carburant et iii) diminuer le temps nécessaire à la conception et au processus de validation. Face à ces problèmes, une approche qui aide le concepteur à caractériser le système de gestion de l'énergie d'un VEH est proposée. Cette caractérisation consiste à : i) choisir l'architecture de la chaîne de traction, ii) le dimensionnement des composants (groupes) et iii) le contrôleur de gestion de l'énergie. Pour accomplir ces tâches, une méthode de modélisation énergétique fonctionnelle est proposée. Cette approche proposée à un niveau d'abstraction "juste nécessaire" qui permet d'avoir une analyse énergétique pour une série de cas d'utilisation. La méthode repose sur des boucles de contrôle locales, un contrôleur global et des équations de base et elle permet d'avoir une optimisation modulaire pour tout changement d'architecture. Prochaine étape de la validation est l'adaptation du modèle fonctionnel afin d'obtenir le contrôleur de haut niveau pour le niveau multi-physique avec deux étapes proposées : i) l'ajustement des paramètres des éléments fonctionnels et ii) l'interconnexion les modèles fonctionnels et multi-physiques. Après l'illustration du démonstrateur d'un VEH, trois stratégies de gestion de l'énergie sont proposées : i) fondée sur des règles, ii) fondée sur PFC avec fonctionnement de partage de besoin par priorisation et iii) fondée sur PFC avec fonctionnement boost. Les stratégies de gestion de l'énergie proposées sont ensuite comparées par indicateurs de performance (consommation de carburant, nombre de cycles marche/arrêt du groupe motopropulseur et consommation de carburant corrigée avec variation de l'état de charge du stockage électrique) avec des cas d'usages définis.

In the context of development of the hybrid electric vehicle, electric machines for traction are under extensive investigation. In particular, volume constraints are more and more severe and research is carried out towards compact structures. This work is focused on the study and the design of axial flux machine for a mild-hybrid application of an integrated starter generator mounted on the crankshaft. Its ratings in transient mode are 50 kW and 205 Nm. A literature review of axial flux machines is presented. A analysis of winding configurations with star of slots method is detailed. A beginning of analysis of switching-flux machine is proposed. The methodology of design is detailed. It is based on sensitivity analysis, parametric design and optimization of the machine. Utilized models are finite element model and response surface by design of experiments. Finally, a thermal study of the machine is carried out and some ideas are given to improve the thermal exchange by diphase cooling.; Dans le cadre du développement du véhicule électrique hybride, les machines électriques pour la traction sont l’objet d’un effort toujours plus important de recherche et de développement. En particulier, les contraintes d’encombrement allouées à ces machines sont toujours plus sévères et la recherche se porte vers des structures de machines compactes. C’est dans ce contexte que nos travaux se sont portés sur l’étude et le dimensionnement de machine à flux axial pour une application hybridation douce (Mild Hybrid) d’alterno-démarreur monté sur vilebrequin de puissance 50 kW et de couple 205 Nm en régime transitoire. Un état de l’art des machines à flux axial est présenté. Une analyse des configurations de bobinage avec la méthode de l’étoile des encoches est détaillée. Un début d’analyse de la machine à commutation de flux est proposé. La méthodologie de dimensionnement est étayée. Elle repose sur des études de sensibilité, un dimensionnement paramétrique, mais aussi une optimisation de la machine. Les modèles utilisés sont de type éléments finis et surface de réponse par plan d’expériences. Enfin, une étude thermique de la machine est effectuée et des pistes sont données pour l’amélioration de l’échange thermique par refroidissement diphasique.

In the context of development of the hybrid electric vehicle, electric machines for traction are under extensive investigation. In particular, volume constraints are more and more severe and research is carried out towards compact structures. This work is focused on the study and the design of axial flux machine for a mild-hybrid application of an integrated starter generator mounted on the crankshaft. Its ratings in transient mode are 50 kW and 205 Nm. A literature review of axial flux machines is presented. A analysis of winding configurations with star of slots method is detailed. A beginning of analysis of switching-flux machine is proposed. The methodology of design is detailed. It is based on sensitivity analysis, parametric design and optimization of the machine. Utilized models are finite element model and response surface by design of experiments. Finally, a thermal study of the machine is carried out and some ideas are given to improve the thermal exchange by diphase cooling., Dans le cadre du développement du véhicule électrique hybride, les machines électriques pour la traction sont l’objet d’un effort toujours plus important de recherche et de développement. En particulier, les contraintes d’encombrement allouées à ces machines sont toujours plus sévères et la recherche se porte vers des structures de machines compactes. C’est dans ce contexte que nos travaux se sont portés sur l’étude et le dimensionnement de machine à flux axial pour une application hybridation douce (Mild Hybrid) d’alterno-démarreur monté sur vilebrequin de puissance 50 kW et de couple 205 Nm en régime transitoire. Un état de l’art des machines à flux axial est présenté. Une analyse des configurations de bobinage avec la méthode de l’étoile des encoches est détaillée. Un début d’analyse de la machine à commutation de flux est proposé. La méthodologie de dimensionnement est étayée. Elle repose sur des études de sensibilité, un dimensionnement paramétrique, mais aussi une optimisation de la machine. Les modèles utilisés sont de type éléments finis et surface de réponse par plan d’expériences. Enfin, une étude thermique de la machine est effectuée et des pistes sont données pour l’amélioration de l’échange thermique par refroidissement diphasique.

In order to be able to continue the use of cars, they have to increase their energy efficiency. One promising approach is the use of hybrid vehicles, which combine different energy sources and converters. Therefore, they have to be designed and tested on all the cycles they will encounter during the vehicle life. Energy management is an important point; there are deterministic, optimization based and predictive energy management approaches. The study of energy management requires the availability of complete, multi-physical and fast models. Other than by global optimization, it is possible to improve certain components individually, like internal combustion engine or Lithium-ion batteries, to replace them by a fuel cell or to recover thermal energy using a Stirling engine. All those aspects have to be integrated into vehicles in order to improve the energy efficiency.; Pour pouvoir continuer à utiliser les véhicules en vue des limitations, il est important qu’ils améliorent leur efficacité énergétique. Une piste prometteuse est de concevoir des véhicules hybrides qui combinent différentes sources et convertisseurs d’énergie. Pour cela, ils doivent être conçus et testés sur la totalité des cycles qu’ils rencontrent pendent leur durée de vie. La gestion d’énergie est cruciale, il y a les solutions déterministes, d’optimisation, et prédictive. L’étude de la gestion nécessite la disponibilité de modèles complets, multi-physiques et rapides. En dehors d’une optimisation globale, il est possible d’améliorer certaines composantes de fac¸on individuelle, comme le moteur à combustion interne ou les batteries Lithium-ion, de prévoir leur remplacement avec des piles à combustibles ou encore de valoriser les rejets thermiques grâce à un moteur Stirling. Tous ces aspects doivent être intégrés dans des véhicules afin d’améliorer leur efficacité énergétique.

Energy storage systems are a key point in the design and development of electric and hybrid vehicles. In order to reduce the battery size and its current stress, a hybrid storage system, where a battery is coupled with an electrical double-layer capacitor (EDLC) is considered in this paper. The energy management of such a configuration is not obvious and the optimal operation concerning the energy consumption and battery RMS current has to be identified. Most of the past work on the optimal energy management of HEVs only considered one additional power source. In this paper, the control of a hybrid vehicle with a hybrid storage system (HSS), where two additional power sources are used, is presented. Applying the Pontryagin’s minimum principle, an optimal energy management strategy is found and compared to a rule-based parameterized control strategy. Simulation results are shown and discussed. Applied on a small compact car, optimal and ruled-based methods show that gains of fuel consumption and/or a battery RMS current higher than 15% may be obtained. The paper also proves that a well tuned rule-based algorithm presents rather good performances when compared to the optimal strategy and remains relevant for different driving cycles. This rule-based algorithm may easily be implemented in a vehicle prototype or in an HIL test bench.

Fuel consumption of a hybrid electrical vehicle (HEV) depends on the driving cycle (i.e. the use of the vehicle), on the powertrain components and on the energy management. The paper proposes an optimal component sizing process taking into account the entire system. An optimal energy management is used in order to minimize the fuel consumption on a driving cycle. This optimization approach of the HEV uses Radial Basis Function models which allow a fast constrained optimization.

This PhD presents the design of a disc rotor electric machine for the traction of hybrid vehicles. A complete state of the art enables the selection of the internal rotor axial flux machine which is the most suited to this application. Different geometries of the magnetic circuit are successively studied and compared with finite elements simulations. To maximize the efficiency of the machine losses generated in the magnetic circuit are studied. An analytic model on the skin effect in the copper conductors is proposed and validated with finite elements simulations. A second analytic model estimates the eddy current losses in the permanent magnets for every operating point of the machine based on only three finite element simulations enabling an important time-saving. Two dimensioning methods are compared: the manual dimensioning based on a tries/errors method and the multi-objectives optimization. This last method automates the dimensioning and enables a more refined optimization and a strong improvement of the performances. For example, the torque density has been improved by 29% in that case. The designed axial flux machine is compared to a state of the art radial flux machine for hybrid vehicle. This comparison shows the potential of the axial flux machine with an improvement of the torque density by more than 20%. Finally two prototypes have been built and measured to validate the simulations.; Cette thèse présente le dimensionnement d’une machine électrique à rotor disque pour la traction de véhicules hybrides. Un état de l’art complet sur les machines électriques à rotor disque permet de montrer que la machine à flux axial à rotor central est la plus adaptée. Différentes géométries du circuit magnétique sont successivement étudiées et comparées par simulations par éléments finis. Pour maximiser le rendement de la machine, les pertes d’origine électromagnétique sont étudiées. Un modèle analytique des pertes par effet de peau dans les conducteurs de cuivre est proposé et validé par éléments finis. Un second modèle analytique estime les pertes par courant induits dans les aimants permanents pour tous les points de travail de la machine se basant sur uniquement trois simulations par éléments finis permettant ainsi un gain de temps important lors du dimensionnement. Deux méthodes de dimensionnement sont comparées : le dimensionnement manuel par essais/erreurs et l’optimisation multi-objectifs. Cette dernière méthode automatise le dimensionnement et permet une optimisation plus pointue et une forte amélioration des performances. Dans ce cas, la densité de couple a par exemple été augmentée de 29%. La machine à flux axial dimensionnée est comparée avec une machine à flux radial pour véhicules hybrides. Cette comparaison révèle le potentiel de la machine à flux axial avec notamment une densité de couple augmentée de plus de 20%. Enfin, deux prototypes ont été construits et mesurés pour valider les simulations.

Power-split hybrid electric vehicles (PS-HEV) are the most efficient solution to reduce fuel consumption using electric hybridisation of vehicles. However, different architectures exist or can be developed and it is difficult to perform a fair comparison between these solutions. A global design approach, optimising the size of the components and using optimal energy management can be a good way to compare different PS-HEV architectures. This paper presents a method to size and design HEV in an optimal manner and to compare this vehicle on different objectives: fuel consumption, battery size, and global volume of the system. The method is then applied to four SP-HEV based on existing architectures (Toyota Hybrid System, Opel Ampera) and on alternative solutions (electrical variable transmission and serial-parallel architecture).

Cost, weight and size reduction constrained designers of power electronic for micro hybrid vehicle to use power MOSFET under extreme conditions like avalanche mode. This paper shows the influence of the solder voids onto the die temperature distribution of a specifically designed power MOSFET. In the first part of this paper, a methodology is presented to perform fast dynamic temperature measurements during MOSFET avalanche (400 A–80 μs). In the second part of the paper, a comparison between experimental results and finite elements electro-thermal simulation is shown for power MOSFET operating in high conduction mode (500 A–100 ms). Finally the correlated numerical model is used to evaluate the sensitivity to solder voids of the chip temperature distribution.

Hybridization of power sources for embedded applications becomes an interesting solution to respect environmental legislation and achieve a higher energy efficiency. However, the choice for components sizing and the energy management strategy need to meet specifications while reducing costs. To solve this optimization problems including several types of variables can be complex because of non linearities included in the formulated problem. Therefore the use of effective solving tools, able to provide a reliable solution, is required. In this thesis, a global optimization method is proposed for the design and the optimal control of hybrid vehicles based on combinatorial optimization, particularly on integer linear programming. From a non-linear optimization problem, the initial problem is reformulated into a multitude of integer linear sub-problems for which a parallel Branch & Bound algorithm is executed. In order to solve large-scale problems, a second algorithm based on the Branch & Cut is developed. This method is used for the study of a hybrid power supply system of a mini-excavator electric. The optimization problem, where energy constraints and aging constraints are implemented, is evaluated according to several parameters and specifications. Finally, this approach is also applied for the optimization of trajectories for a synchronized multi-actuators system., 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.

On-going oil stock depletion and growing environmental concerns lead automakers to develop more efficient powertrains. Today, one of the most promising way forward consists in research on hybrid systems. The present work is focused on thermal/electric hybridization for HEV vehicle and presents an optimal methodology to identify key guidelines and design efficient systems. Defining the most promising efficient powertrain requires a systemic design which is based in this study on three main levers : powertrain architecture, energy management and electric components design. Different powertrains architectures are compared to the lowest fuel consumption that can be reached by each powertrain for a given driving cycle. Their optimal energetic performances are determined by using optimal control strategies and dynamic programming. The simulations results show that the most promising hybrid powertrain is the parallel one. At each step of time of the drivings cycles, the parallel hybrid powertrain behavior is more closely analyzed so as to provide technical specifications for an optimal sizing of the electric components. It points out the operating point and the driving cycles for which the electric machine has to be optimized. Two electric machines topologies derived from a starter-alternator architecture, are modeled by using reluctance network to provide losses map and compare CO2 saving of the vehicle. This approach has both identified areas for powertrain architecture improvement and components design optimization to achieve a better global efficiency of the system. It is shown that a starter-alternator could provide 33% of CO2 saving compared to a conventional car.; Les préoccupations environnementales croissantes et la raréfaction des énergies fossiles amènent les constructeurs automobiles à proposer des véhicules efficients hybridant des chaînes de traction conventionnelles. Ces travaux de recherche sont focalisés sur l'hybridation thermique/électrique. Ils présentent une méthodologie de conception optimale pour identifier des voies de progrès et orienter la définition de futures chaînes de traction à haut rendement énergétique. Ils sont basés sur une démarche d'ingénierie systémique qui s'appuie sur trois principaux leviers: l'architecture de la chaîne de traction, la stratégie de gestion énergétique et la définition des organes électriques de puissance. Différentes architectures de chaînes de traction hybrides électriques sont comparées en se basant sur la consommation minimale atteignable par chacune d'entre elles sur cycles automobiles. Pour déterminer ces seuils de consommation, une stratégie de commande optimale basée sur un algorithme de programmation dynamique est développée. Les résultats montrent l'intérêt de l'hybridation parallèle pour concevoir une chaîne de traction efficiente.Les sollicitations des organes électriques de puissance sont déterminées et analysées pour en spécifier le dimensionnement optimal. Deux structures de machines électriques ont été modélisées par réseaux de réluctances pour établir des cartographies de pertes et comparer la performance en émissions de CO2 du véhicule. Cette approche permet d'identifier des axes d'améliorations et on montre qu'une solution de type alterno-démarreur permettrait des gains d'environ 33% en émissions de CO2 par rapport au véhicule conventionnel.

On-going oil stock depletion and growing environmental concerns lead automakers to develop more efficient powertrains. Today, one of the most promising way forward consists in research on hybrid systems. The present work is focused on thermal/electric hybridization for HEV vehicle and presents an optimal methodology to identify key guidelines and design efficient systems. Defining the most promising efficient powertrain requires a systemic design which is based in this study on three main levers : powertrain architecture, energy management and electric components design. Different powertrains architectures are compared to the lowest fuel consumption that can be reached by each powertrain for a given driving cycle. Their optimal energetic performances are determined by using optimal control strategies and dynamic programming. The simulations results show that the most promising hybrid powertrain is the parallel one. At each step of time of the drivings cycles, the parallel hybrid powertrain behavior is more closely analyzed so as to provide technical specifications for an optimal sizing of the electric components. It points out the operating point and the driving cycles for which the electric machine has to be optimized. Two electric machines topologies derived from a starter-alternator architecture, are modeled by using reluctance network to provide losses map and compare CO2 saving of the vehicle. This approach has both identified areas for powertrain architecture improvement and components design optimization to achieve a better global efficiency of the system. It is shown that a starter-alternator could provide 33% of CO2 saving compared to a conventional car., Les préoccupations environnementales croissantes et la raréfaction des énergies fossiles amènent les constructeurs automobiles à proposer des véhicules efficients hybridant des chaînes de traction conventionnelles. Ces travaux de recherche sont focalisés sur l'hybridation thermique/électrique. Ils présentent une méthodologie de conception optimale pour identifier des voies de progrès et orienter la définition de futures chaînes de traction à haut rendement énergétique. Ils sont basés sur une démarche d'ingénierie systémique qui s'appuie sur trois principaux leviers: l'architecture de la chaîne de traction, la stratégie de gestion énergétique et la définition des organes électriques de puissance. Différentes architectures de chaînes de traction hybrides électriques sont comparées en se basant sur la consommation minimale atteignable par chacune d'entre elles sur cycles automobiles. Pour déterminer ces seuils de consommation, une stratégie de commande optimale basée sur un algorithme de programmation dynamique est développée. Les résultats montrent l'intérêt de l'hybridation parallèle pour concevoir une chaîne de traction efficiente.Les sollicitations des organes électriques de puissance sont déterminées et analysées pour en spécifier le dimensionnement optimal. Deux structures de machines électriques ont été modélisées par réseaux de réluctances pour établir des cartographies de pertes et comparer la performance en émissions de CO2 du véhicule. Cette approche permet d'identifier des axes d'améliorations et on montre qu'une solution de type alterno-démarreur permettrait des gains d'environ 33% en émissions de CO2 par rapport au véhicule conventionnel.

The project FOREVER aims primarily to provide data and information on the potential future noise impacts of electric vehicles on national roads. Work Package 2 (WP2) of the project is intended to identify the noise emission levels from electric and hybrid-electric vehicles. This involves a review of the state-of-the-art in vehicle noise evaluation methods and how these can be applied to electric vehicles, considering the issue from the perspective of operation in controlled conditions rather than just strict type-approval conditions. The study includes practical testing carried out on a range of electric and hybrid-electric vehicles to determine noise emission levels. The objective is to derive input data for use within noise prediction models such as CNOSSOS-EU. Two vehicle categories, light and medium heavy vehicles, are considered in the study which focuses entirely on external noise. The noise impacts from the perspective of human listeners, e.g. communities near national road ways, were also considered through a series of subjective participant trials. These studies investigated how the change in the character of noise emission of electric vehicles is perceived by human listeners. A system of perceptual dimensions similar to past research was used to assess the noise emission of electric vehicles.

The study of the behavior of supercapacitors during ageing is required in orderto integrate them in transportation applications. The aim of this thesis is tounderstand and model ageing phenomena observed on supercapacitors. For thispurpose, electrical characterization methodologies and original experimentalprotocols combining various constraints of ageing have been implemented.Measurements of leakage current and combined ageing tests were conducted. Theobtained results were used for developing models allowing the monitoring of theevolution of supercapacitors performance during ageing., Dans le but de l’intégration des supercondensateurs dans des applicationstransport, la connaissance et l’étude de leur comportement au cours du vieillissementest nécessaire. L’objectif de cette thèse est donc la compréhension et lamodélisation des phénomènes de vieillissement observés sur lessupercondensateurs. Pour cela, des méthodologies de caractérisation électriques etdes protocoles expérimentaux originaux combinant les différentes contraintes devieillissement ont été mis en oeuvre. Des mesures du courant de fuite et des tests devieillissement combinés ont été effectués. Les résultats obtenus sont présentés. Ilsont ainsi servis au développement et l’implémentation de modèles permettant le suivide l’évolution des performances des supercondensateurs avec le vieillissement.

A way to improve the existing hybrid vehicles is the global optimal design of their components when related to their actual use. This paper proposes a global optimal design method for Power-Split Hybrid Electric Vehicles (PS-HEVs) equipped with an Electric Variable transmission. A genetic algorithm is used to optimize system parameters. The process includes Discrete Dynamic Programming for an optimal energy management. The optimization focuses on the minimization of two objectives that are fuel-consumption and number of battery cells. Pareto fronts are depicted and compared for different drive cycles and show the existence of a possible trade-off between fuel-consumption and battery size.

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)., 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).

IEEE VPPC 2014 - Vehicular power and propulsion conference, COIMBRA, PORTUGAL, 27-/10/2014 - 30/10/2014; Numerous researches about hybrid electrical vehicles (HEV) deal with topologies, technologies, sizing and control. These aspects allows to reduce transportation cost and environmental impacts. The paper focuses on the modelling of the electrical motor of the HEV in a global sizing context, taking into account: the hybrid system, the driving cycle and an optimal energy management. In the paper, the parallel hybrid electrical vehicle (HEV) will be our study case. In a classical HEV design process, scaling model is usually used to fix the standard power of the electrical machine. The efficiency and the maximum torque power are scaled using a linear dependency on the rated maximum power. The paper compares two sizing models: a scaling model based on a efficiency map and a scaling model based on a magnetic circuit model (MCM). A comparison is performed using both models in an optimization process. This optimization process is a global sizing process using dynamic programming as an optimal energy management. Optimal sizings of the hybrid vehicle are compared, depending on whether they use a classical sizing method or a MCM scaling method.

Since the development of computers and calculation capacities, the design of electricalcomponents in electrical engineering is widely based on computing simulations and on numeralcalculations. In complex systems, where numerous components interact to make the systemwork, the optimal sizing of the component deeply depends on its systemic environment. Thedesign of each component is strongly linked to the functioning of the global system. Therefore,the joint design of the component into its systemic environment allows researchers to improvethe efficiency of the system.In this methodological context, we optimize an electric machine for a hybrid vehicle. Theaim of this work is to improve the global efficiency of the vehicle. In this work, we build amagnetic circuit model, and we propose two approaches for solving the optimization problem.The key points of this work are : taking into consideration the environment of the electricalmachine, the driving cycle and the energy management of the system.; Depuis l’essor des ordinateurs et des capacités de calcul, la conception des composantsdu génie électrique repose largement sur des simulations informatiques et sur des calculs numériques.Dans les systèmes complexes, où de nombreux composants interagissent pour lebon fonctionnement du système, le dimensionnement optimal du composant dépend nécessairementde son environnement systémique. La conception de celui-ci est fortement liée aufonctionnement du système global. La conception intégré du composant dans son environnementsystémique permet ainsi de repousser les limites de l’efficacité énergétique, pour dessystèmes plus performants et moins consommateurs.En support à ce contexte méthodologique, nous proposons de dimensionner par optimisationun moteur électrique pour un véhicule hybride dans le but d’améliorer l’efficacitéénergétique globale du véhicule. Dans ce travail, nous avons modélisé le moteur électrique parun schéma réluctant, et nous proposons deux approches méthodologiques différentes du mêmeproblème. Les points clés de notre approches sont : la prise en compte de l’environnement dumoteur, du cycle de fonctionnement et de la gestion de l’énergie du système.

Since the development of computers and calculation capacities, the design of electricalcomponents in electrical engineering is widely based on computing simulations and on numeralcalculations. In complex systems, where numerous components interact to make the systemwork, the optimal sizing of the component deeply depends on its systemic environment. Thedesign of each component is strongly linked to the functioning of the global system. Therefore,the joint design of the component into its systemic environment allows researchers to improvethe efficiency of the system.In this methodological context, we optimize an electric machine for a hybrid vehicle. Theaim of this work is to improve the global efficiency of the vehicle. In this work, we build amagnetic circuit model, and we propose two approaches for solving the optimization problem.The key points of this work are : taking into consideration the environment of the electricalmachine, the driving cycle and the energy management of the system., Depuis l’essor des ordinateurs et des capacités de calcul, la conception des composantsdu génie électrique repose largement sur des simulations informatiques et sur des calculs numériques.Dans les systèmes complexes, où de nombreux composants interagissent pour lebon fonctionnement du système, le dimensionnement optimal du composant dépend nécessairementde son environnement systémique. La conception de celui-ci est fortement liée aufonctionnement du système global. La conception intégré du composant dans son environnementsystémique permet ainsi de repousser les limites de l’efficacité énergétique, pour dessystèmes plus performants et moins consommateurs.En support à ce contexte méthodologique, nous proposons de dimensionner par optimisationun moteur électrique pour un véhicule hybride dans le but d’améliorer l’efficacitéénergétique globale du véhicule. Dans ce travail, nous avons modélisé le moteur électrique parun schéma réluctant, et nous proposons deux approches méthodologiques différentes du mêmeproblème. Les points clés de notre approches sont : la prise en compte de l’environnement dumoteur, du cycle de fonctionnement et de la gestion de l’énergie du système.

IEEE VPPC 2014 - Vehicular power and propulsion conference, COIMBRA, PORTUGAL, 27-/10/2014 - 30/10/2014; Hybrid topologies are now recognized as a good solution to reduce the fuel consumption of vehicles. The topologies and the associated energy management strategies have been long discussed in order to improve the fuel economy. However, the pollutant emission is seldom taken into account, although it can be greater with hybrid vehicles. This paper develops a method to find an optimal strategy of management taking into account two objectives (fuel consumption and pollutant emissions) during the cold start phase. The Pontryagin's minimum principle is applied considering two states variables. Results on a two clutches hybrid vehicle are proposed and discussed regarding the Pareto front and the evolution of the energy management strategy.

OIPE 2014 - Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism, DELFT, PAYS-BAS, 10-/09/2014 - 12/09/2014; Deterministic Dynamic Programming is frequently used to solve the management problem of hybrid vehicles (choice of mode and power sharing between thermal and electric sources). However, it is time consuming and thus difficult to use in global sizing optimization or in parametric studies. This paper presents a comparison between three methods to compute the DDP problems. These methods are applied on the well known case of the Toyota PRIUS. It proves that a dense matrix method can reduce the computation time by up to 10 compared to classical solving methods

Since the development of computers and calculation capacities, the design of electrical components in electrical engineering is widely based on computing simulations and on numeral calculations. In complex systems, where numerous components interact for the working of the system, the optimal sizing of the component deeply depends on its systemic environment. The design of each component is strongly linked to the functioning of the global system. Therefore, the joint design of the component into its systemic environment allows to improve the efficiency of the system. In this methodological context, we optimize an electric machine for a hybrid vehicle. The aim of this work is to improve the global efficiency of the vehicle. In this work, we build a magnetic circuit model, and we propose two approaches for solving the optimization problem. The key points of this work are : the consideration of the environment of the electrical machine, the driving cycle and the energy management of the system., 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.

Automotive engineers and researchers have proposed different topologies for series-parallel hybrid electric vehicles (SP-HEVs). The Toyota Hybrid System (THS) is the best known SP-HEV-based vehicle, but alternative solutions, such as electric variable transmission (EVT), have been also proposed. An efficient comparison between these different solutions is a key point to estimate the added value of each topology. This paper presents the application of optimal control to two series-parallel hybrid architectures for efficiency assessment purposes. The dynamic programming method is applied to the THS and to a virtual hybrid vehicle with an EVT. The way to take into account the supplementary degree of freedom provided by the decoupling of the wheels and the engine in both topologies is presented. The optimal fuel consumption is then compared on different driving cycles and brings out an overconsumption of the EVT topology. Then, a parametric study shows that inserting an appropriate gear ratio on the internal-combustion-engine (ICE) shaft can improve the EVT efficiency that becomes close to the THS efficiency.

Those research works are about double layer supercapacitors ageing placed in an onboard power network subject to high frequency current ripple (in a hybrid vehicle for instance). Studied SC are commercial components, representative of the most used technology (i.e. Acetonitrile / Active carbon) in transports domain. SC floating ageing results (constant temperature and constant voltage) are presented. SC health monitoring is achieved by using SC impedance evolution through ageing test. Classic impedance models (CPE and single pore model) are presented as well as a newer model (called multipore model). Model parameters are systematically linked to electrochemical data related to SC state of health. Multipore model enable to classify pores thanks to their electrical time constant (related to pore diameter under some hypothesis). The evolution of multipore model parameters under floating constraints shows that the smaller pores are more affected by beginning of ageing test. HF current ripple seem not to affect supercapacitors floating ageing. Whereas we notice effect of ageing stopping periods on SC state of health, Les travaux de recherche sont consacrés au vieillissement des supercondensateurs (SC) à double couche électrique dans un réseau électrique embarqué soumis à des ondulations de courant de haute fréquence (par exemple celui d'un véhicule hybride). Les SC étudiés sont des composants commerciaux représentatifs de la technologie la plus utilisée (acetonitrile / charbon actif) dans les applications de transport. Les travaux présentent des résultats d'essais de vieillissement calendaires (c'est-à-dire à tension et à température constantes). Le suivi de l'état de santé des SC s'effectue à l'aide de l'évolution de leur impédance au cours des essais de vieillissement. Plusieurs modèles d'impédances classiques sont présentés (modèle CPE et modèle simple pore) ainsi qu'un modèle récent (modèle multipore). Les paramètres de chaque modèle d'impédance sont systématiquement liés à des grandeurs électrochimiques des SC représentatives de l'état de leurs électrodes. Grâce au modèle multipore, les pores des électrodes du SC peuvent être classés selon leur constante de temps électrique (liée sous certaines hypothèses au diamètre d'ouverture des pores). L'application du modèle multipore aux résultats du vieillissement calendaire permet de mettre en évidence un effet drastique du début de vieillissement sur les pores possédant un faible diamètre d'ouverture. Les ondulations de courant haute fréquence semblent quant à elles transparentes en ce qui concerne le vieillissement c'est-à-dire qu'elles influencent très peu le vieillissement des SC. On note enfin un effet non négligeable des arrêts de vieillissement sur l'état de santé des SC

Automotive is for me an almost inexhaustible source of complex problems to solve. Indeed, powertrain is a fast nonlinear complex system, multivariable, with saturated actuators. In addition, many important physical quantities are not measured and estimators/observers should be developed. Finally, the computation time is limited, and the control objectives (consumption, pollution, performance) are often competing, requiring a trade-off. This thesis summarizes my ten years of research activities on the control optimization of powertrain for automobile vehicles in three topics : Energy Management Strategies, Robust or Predictive control and observers. The common denominator of this work is to take into account nonlinearities and specificities of the process by seeking simplified knowledge models in order to implement controllers and observers in real time. The contributions include: a complexity reduction of optimal strategies by generic approaches with minimal optimality and the use of predictions ; a quasi-systematic implementation and design methodology of a robust or predictive control law from specifications for multivariable non-linear systems ; an estimation of unmeasured states by observers allowing high-level tuning between measurement confidence and model reliability ; experimental validation in the automotive domain of the proposed methods in order to minimize fuel consumption, pollutant and greenhouse gas emissions. My research project, which follows the logic undertaked so far combining automatic control and energetic, focuses on robust predictive control, on global multi-criteria and multi-variables strategies and on generic observers with applications in the automotive and energy fields., L'automobile est pour l'automaticien une source presque inépuisable de problèmes complexes à résoudre. En effet, la chaîne de traction est un système complexe, multivariable, non linéaire, rapide, avec saturations d'actionneurs. En outre, de nombreuses grandeurs physiques importantes ne sont pas mesurées et des observateurs/estimateurs doivent être mis en place. Enfin, le temps de calcul est limité, et, les objectifs du contrôle (consommation, pollution, performance) sont souvent concurrents, nécessitant un compromis. Ce mémoire synthétise mes dix années de recherche sur l'optimisation du contrôle de la chaîne de traction des véhicules automobiles selon trois thèmes : stratégie globale optimale, commande dynamique robuste ou prédictive et observateurs. Le dénominateur commun à l'ensemble des travaux est la prise en compte des non linéarités et spécificités du procédé par la recherche de modèles de connaissance simplifiés permettant des commandes et observateurs implantables en temps réel. Les contributions portent sur : la réduction de la complexité des stratégies optimales par des approches génériques à sous optimalité minimale et par l'utilisation de prédictions ; une méthodologie quasi-systématique de conception et de réalisation d'une loi de commande robuste ou prédictive à partir du cahier des charges pour des systèmes non-linéaires multivariables carrés ou non ; une estimation d'états non mesurés par des observateurs permettant un réglage de haut niveau entre confiance dans la mesure et fiabilité du modèle ; une validation expérimentale dans le secteur automobile des méthodes proposées, et ce dans le but de minimiser la consommation de carburant, les émissions polluantes et les gaz à effet de serre. Mon projet de recherche, qui suit la logique entreprise jusqu'à présent en alliant automatique et énergétique, se concentre sur la commande prédictive et robuste, sur les stratégies globales multi-critères et multi-variables, et sur des observateurs génériques avec des applications dans le domaine de l'automobile et de l'énergie.

Currently, the main embedded storage system supplying the electric vehicles is composed of Li-ion batteries. This thesis is one of the common themes of work that ESTACA leads in collaboration with L2EP. The objective of this work is to study the interest of a hybrid source composed of Li-ion batteries and supercapacitors to supply an urban electric.Firstly, an energy management strategy based on deterministic rules is developed to control the power between the battery and supercapacitor. To demonstrate the combination utility, different Li-ion battery technologies (Li-ion high power, high-Li-ion energy) are used on the sizing step. Through this study, we could propose an optimal solution (masses, volumes, costs...) consisting of battery and supercapacitor. In the second part, we have followed the evolution of capacity and the internal resistance losses of high power and high energy batteries type in, respectively, single-source and hybrid configurations. For this study, a test bench, developed for cycling and characterization of storage systems, was used. The results obtained provide the opportunity to choose Li-ion battery technology that could be the most interesting for the supply of electric vehicles; Actuellement, la principale source d’énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L’ESTACA en collaboration avec le L2EP. L’objectif ce projet est d’étudier l’apport d’une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d’un véhicule électrique urbain.Dans un premier temps, une stratégie de gestion d’energie basée sur l’approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l’intérêt de l’association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l’autonomie voulue. Cette étude nous a permis de proposer une solution optimale (poids, volume, coût..) composée d’une batterie énergétique et un supercondensateur.Dans la deuxième partie, on a suivie l’évolution du vieillissement des deux de deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l’alimentation des véhicules électriques

Currently, the main embedded storage system supplying the electric vehicles is composed of Li-ion batteries. This thesis is one of the common themes of work that ESTACA leads in collaboration with L2EP. The objective of this work is to study the interest of a hybrid source composed of Li-ion batteries and supercapacitors to supply an urban electric.Firstly, an energy management strategy based on deterministic rules is developed to control the power between the battery and supercapacitor. To demonstrate the combination utility, different Li-ion battery technologies (Li-ion high power, high-Li-ion energy) are used on the sizing step. Through this study, we could propose an optimal solution (masses, volumes, costs...) consisting of battery and supercapacitor. In the second part, we have followed the evolution of capacity and the internal resistance losses of high power and high energy batteries type in, respectively, single-source and hybrid configurations. For this study, a test bench, developed for cycling and characterization of storage systems, was used. The results obtained provide the opportunity to choose Li-ion battery technology that could be the most interesting for the supply of electric vehicles; Actuellement, la principale source d’énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L’ESTACA en collaboration avec le L2EP. L’objectif ce projet est d’étudier l’apport d’une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d’un véhicule électrique urbain.Dans un premier temps, une stratégie de gestion d’energie basée sur l’approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l’intérêt de l’association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l’autonomie voulue. Cette étude nous a permis de proposer une solution optimale (poids, volume, coût..) composée d’une batterie énergétique et un supercondensateur.Dans la deuxième partie, on a suivie l’évolution du vieillissement des deux de deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l’alimentation des véhicules électriques

This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In this step we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we can conclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, le volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good., 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 à 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 autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité de courant 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 adaptés 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 les têtes de bobines. Ces résultats ont été corroborés 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 implantés 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 véhicule hybride Kangoo où la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis 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 à 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.

VPPC 2012 - VEHICULAR POWER AND PROPULSION CONFERENCE, SEOUL, COREE, REPUBLIQUE DE, 09-/10/2012 - 12/10/2012; This paper presents the application of optimal control to two series-parallel hybrid architectures. The dynamic Programming method is applied to Toyota Hybrid System (THS) and Electrical Variable Transmission (EVT). First the theoretical approach of dynamic programming and its application to SP_HEVs is presented. The way to take into account the extra degree of freedom, provided by the decoupling of wheel and engine, is presented. Then, the optimal fuel consumption of the two architectures is compared on different drive cycles on the case of a same reference vehicle Prius II. Considering an over consumption of the EVT, a gear is inserted on the engine shaft. Finally, a parametric study shows that choosing the good gear ratio can reduce the EVT fuel consumption compared to those of the THS architecture.

IFAC 8th PPPSC - Power Plant and Power System Control, TOULOUSE, FRANCE, 02-/09/2012 - 05/09/2012; Hybrid vehicles are complex systems using more than one energy source. Different topologies have been developed and can satisfy the dynamic specifications with more or less energy efficiency. The fuel economy potential comparison between different topologies is not an obvious task because of the diversity of the hybrid solution and the strong influence of the control strategy on the vehicle efficiency. This paper describes the use of a backward looking approach associated to a global optimization algorithm for the efficiency assessment of a series-parallel hybrid vehicle with 2 clutches. This approach provides fair conditions for comparison as the influence of the vehicle control is disabled. Energy management results as well as global consumption on different cycles have been given and discussed.

Hybrid electric vehicles (HEVs) would contribute to energy saving and greenhouse effect reduction if they were to be massively launched on the market. A notable effort has been done in simulation to optimize energy consumption and component sizing. Power-hardware-in-the-loop (PHIL) simulation could be a further step to obtain more realistic performance and to compare different solutions, including economic aspects. This paper deals with the implementation on a high dynamic test bench of a diesel mild parallel HEV using the PHIL technique. Three configurations, corresponding to different energy-storage systems, have been tested under the same conditions. Power, energy, consumption, and pollutant emission performance, which are measured on the test bench, are compared and discussed.

In the actual automobile market, tightly connected to the overall will to decrease CO2 emissions, hybrid vehicles seem to be a necessary short and medium-term milestone. Typically, a hybrid vehicle has two energy sources: a regular gas engine is usually the main energy source, and an electric motor as a secondary energy source. The ability of a hybrid vehicle to consume less fuel and to emit less CO2 comes from its electric motor. It can be used either alongside with the engine, or alone, with no gas being burnt. Because of the two energy sources, the global powertrain needs to be managed by a strategy that chooses the power split between the engine and the motor, based on the state of charge of the battery. This power split can be optimized based on criteria like fuel consumption, CO2 emissions, etc. The objective of this thesis is to develop optimization models on optimal torque repartition between the motor and the engine of a hybrid vehicle, in order to minimize the CO2 emissions. The first step is to develop models corresponding to a reference hybrid powertrain, which are adapted to the optimization algorithms. The optimization algorithms are different depending if offline or real-time optimization is considered. Among the studied offline algorithms, dynamic programming was used to determine the optimal size of the main elements of the powertrain, and to determine the optimal gain compared to a traditional vehicle. Additionally, an original shooting algorithm called SCOP has been developed, and is able to treat optimal control problems with state constraints. This algorithm is about 50 times faster than dynamic programming. A real-time control strategy, based on the Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) and using Pontryagin's Principle, was developed and used on a hybrid prototype vehicle: a Smart equipped with a starter alternator. The results demonstrate the positive impact of the strategy to reduce the fuel consumption and the CO2 emissions.; 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.

In the actual automobile market, tightly connected to the overall will to decrease CO2 emissions, hybrid vehicles seem to be a necessary short and medium-term milestone. Typically, a hybrid vehicle has two energy sources: a regular gas engine is usually the main energy source, and an electric motor as a secondary energy source. The ability of a hybrid vehicle to consume less fuel and to emit less CO2 comes from its electric motor. It can be used either alongside with the engine, or alone, with no gas being burnt. Because of the two energy sources, the global powertrain needs to be managed by a strategy that chooses the power split between the engine and the motor, based on the state of charge of the battery. This power split can be optimized based on criteria like fuel consumption, CO2 emissions, etc. The objective of this thesis is to develop optimization models on optimal torque repartition between the motor and the engine of a hybrid vehicle, in order to minimize the CO2 emissions. The first step is to develop models corresponding to a reference hybrid powertrain, which are adapted to the optimization algorithms. The optimization algorithms are different depending if offline or real-time optimization is considered. Among the studied offline algorithms, dynamic programming was used to determine the optimal size of the main elements of the powertrain, and to determine the optimal gain compared to a traditional vehicle. Additionally, an original shooting algorithm called SCOP has been developed, and is able to treat optimal control problems with state constraints. This algorithm is about 50 times faster than dynamic programming. A real-time control strategy, based on the Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) and using Pontryagin's Principle, was developed and used on a hybrid prototype vehicle: a Smart equipped with a starter alternator. The results demonstrate the positive impact of the strategy to reduce the fuel consumption and the CO2 emissions.; 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.

IEEE VPPC 2008, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, HARBIN, CHINE, 03-/09/2008 - 05/09/2008; Hybrid vehicles use two energy sources for their propelling. Usually an Internal Combustion Engine (ICE) is used with one or more electric machine(s) (EM). The problem is then to split the driver power demand between the ICE and the EM in order to minimize a criterion, usually the fuel consumption. A global optimization algorithm based on optimal control theory is recalled. The obtained results are optimal but can only be obtained in simulation. For real time control purpose, this optimization algorithm is applied on a receding horizon. The main problem is then to choose the variables to be predicted on this horizon. By analyzing the optimization algorithm, it is shown that the prediction of the future driving conditions (vehicle speed and driver torque demand) is not necessary. Therefore, under some assumptions, a real time control is possible.

Hybrid vehicles use two energy sources for their propelling. In order to investigate an optimal splitting of the power flows between the engine and the electric machine, an optimal control algorithm is recalled. A new formulation using maps allows a very fast solving this problem which then may be used in real time control. In the particular case of a hybrid vehicle on a prescribed route, a new control strategy is proposed. It consists in computing an optimal control on the prescribed route and then updating the computed values in order to cope with the difference between the actual and prescribed vehicle route.

This subject is the continuity of the works started at L2ES Laboratory within the framework of ECCE program in collaboration with CREEBEL which ensures the nancial support. ECCE test bench is a series electrical hybrid vehicle with 4 independent wheels and a rated power of 120kW. The main energy source consists of two diesel motors and each is coupled to one alternator. The produced energy feeds 4 electric traction motors ; the remainder is stored by the batteries. This thesis presents the energy coupling strategies between these batteries and the supercapacitors to ensure dynamics in energy supply and storage for the hybrid vehicle. A bibliographical study has allowed to review technical progress and the available applications of the supercapacitors. A simplied model of supercapacitors which accurately translates the behavior of the cells during the charge and discharge is developed. Several DC/DC converters topologies with original strategies of embarked power management are developed. These topologies are based on the Buck-Boost converters and DC/AC-AC/DC converters with high frequency planar transformer. For cost raisons, the experimental test benches has been designed at a reduced scale ( 1/10 ). The experimental results obtained have allowed to compare the topologies performances for two control strategies. The polynomial control strategy (RST) is compared to classical PI correctors. These comparative studies have allowed choosing the best topology intended for the supercapacitors coupling to ECCE DC-bus.; Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux commencés au sein du L2ES dans le cadre du programme ECCE en partenariat avec CREEBEL qui assure le nancement. La plateforme ECCE est un véhicule hybride électrique série à 4 roues indépendantes d'une puissance nominale en propulsion de 120kW électrique. La source d'énergie principale est constituée de deux moteurs diesels entraînant deux alternateurs. L'énergie électrique produite alimente les 4 moteurs électriques de traction et le reste est stocké dans le pack des batteries. Cette thèse développe les stratégies de couplage énergétique entre ce pack des batteries et les supercondensateurs an d'assurer au véhicule une dynamique de fourniture et du stockage de l'énergie électrique. Une étude bibliographique a permis de passer en revue le bilan technologique et les applications potentielles des supercondensateurs, puis d'élaborer le modèle simplié des supercondensateurs qui traduit dèlement le comportement des cellules durant les phases de charge et de décharge. Diérentes topologies des convertisseurs DC/DC avec des stratégies originales de gestion d'énergie électrique embarquée sont traitées. Les topologies proposées sont basées sur les convertisseurs Buck-Boost et les convertisseurs DC/AC-AC/DC à étage intermédiaire haute fréquence. Pour une raison de coût, les maquettes expérimentales des topologies ont été réalisées à l'échelle réduite ( 1/10 ). Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de comparer les performances des topologies pour deux types de commande. La stratégie de gestion d'énergie à base des correcteurs polynomiaux (RST) est comparée à celle utilisant des correcteurs PI classiques. Ces études comparatives ont permis de choisir la meilleure topologie destinée au couplage des supercondensateurs sur le bus continu du banc ECCE.

This subject is the continuity of the works started at L2ES Laboratory within the framework of ECCE program in collaboration with CREEBEL which ensures the nancial support. ECCE test bench is a series electrical hybrid vehicle with 4 independent wheels and a rated power of 120kW. The main energy source consists of two diesel motors and each is coupled to one alternator. The produced energy feeds 4 electric traction motors ; the remainder is stored by the batteries. This thesis presents the energy coupling strategies between these batteries and the supercapacitors to ensure dynamics in energy supply and storage for the hybrid vehicle. A bibliographical study has allowed to review technical progress and the available applications of the supercapacitors. A simplied model of supercapacitors which accurately translates the behavior of the cells during the charge and discharge is developed. Several DC/DC converters topologies with original strategies of embarked power management are developed. These topologies are based on the Buck-Boost converters and DC/AC-AC/DC converters with high frequency planar transformer. For cost raisons, the experimental test benches has been designed at a reduced scale ( 1/10 ). The experimental results obtained have allowed to compare the topologies performances for two control strategies. The polynomial control strategy (RST) is compared to classical PI correctors. These comparative studies have allowed choosing the best topology intended for the supercapacitors coupling to ECCE DC-bus.; Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux commencés au sein du L2ES dans le cadre du programme ECCE en partenariat avec CREEBEL qui assure le nancement. La plateforme ECCE est un véhicule hybride électrique série à 4 roues indépendantes d'une puissance nominale en propulsion de 120kW électrique. La source d'énergie principale est constituée de deux moteurs diesels entraînant deux alternateurs. L'énergie électrique produite alimente les 4 moteurs électriques de traction et le reste est stocké dans le pack des batteries. Cette thèse développe les stratégies de couplage énergétique entre ce pack des batteries et les supercondensateurs an d'assurer au véhicule une dynamique de fourniture et du stockage de l'énergie électrique. Une étude bibliographique a permis de passer en revue le bilan technologique et les applications potentielles des supercondensateurs, puis d'élaborer le modèle simplié des supercondensateurs qui traduit dèlement le comportement des cellules durant les phases de charge et de décharge. Diérentes topologies des convertisseurs DC/DC avec des stratégies originales de gestion d'énergie électrique embarquée sont traitées. Les topologies proposées sont basées sur les convertisseurs Buck-Boost et les convertisseurs DC/AC-AC/DC à étage intermédiaire haute fréquence. Pour une raison de coût, les maquettes expérimentales des topologies ont été réalisées à l'échelle réduite ( 1/10 ). Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de comparer les performances des topologies pour deux types de commande. La stratégie de gestion d'énergie à base des correcteurs polynomiaux (RST) est comparée à celle utilisant des correcteurs PI classiques. Ces études comparatives ont permis de choisir la meilleure topologie destinée au couplage des supercondensateurs sur le bus continu du banc ECCE.

A fuel cell consumes hydrogen and oxygen to produce clean electric energy. The only byproducts are water and heat. Therefore fuel cell vehicles are considered for the long term sustainable mobility. In a fuel cell hybrid vehicle (FCHV), the electric powertrain is powered by a fuel cell system (FCS) and an energy storage system (ESS). This energy storage system can be either batteries or supercapacitors. The hybrid architecture allows defining power management strategies and offers opportunities in the powertrain sizing. Global optimisation algorithms provide a power split between the FCS and the ESS which minimizes the hydrogen consumption for a priori known driving cycles. The optimal results obtained cannot be used in real time application but they define benchmarks for control strategies evaluation. In this thesis, a sub-optimal real time strategy is proposed based on the optimal control algorithm. The hydrogen consumption also relies on the powertrain sizing. The FCS and ESS sizes should respect the vehicle dynamic capabilities (speed, acceleration) without penalizing the energetic aspects. A sizing tool which helps in the powertrain design is proposed. Finally in this thesis, the theoretical approaches concerning control strategies and sizing procedures are illustrated and validated by real applications (PAC-Car II prototype, Hy-Muve prototype, test bench).; La pile à combustible (PAC) produit de l'énergie électrique à partir d'hydrogène et d'oxygène sans rejets de polluants. Son utilisation dans le secteur automobile est donc envisagée à long terme pour répondre au problème de mobilité durable. Dans un véhicule hybride à PAC, la motorisation électrique est alimentée par une pile à combustible assistée par une source secondaire d'énergie (SSE). Cette source secondaire d'énergie est composée soit de batteries, soit de supercondensateurs. L'architecture hybride obtenue offre un degré de liberté dans la gestion des flux énergétiques et dans le dimensionnement du groupe motopropulseur. La répartition de puissance optimale entre la PAC et la SSE est obtenue grâce à des algorithmes d'optimisation globale qui minimisent la consommation d'hydrogène pour un parcours routier connu a priori. Les résultats obtenus avec ces algorithmes servent d'expertise et de référence de consommation mais sont inapplicables en temps réel. Ici, une stratégie de commande temps réel, nécessairement sous-optimale, a été construite à partir l'algorithme de commande optimale. La consommation d'hydrogène est également influencée par le dimensionnement de la PAC et de la SSE. Celui-ci doit garantir un confort de conduite acceptable (vitesses, accélérations) sans pénaliser les performances énergétiques du véhicule ; un outil d'aide au dimensionnement est nécessaire et proposé dans ce mémoire. Enfin, les approches théoriques développées dans cette thèse sont illustrées par des mises en applications sur des exemples concrets (prototype PAC-Car II, prototype Hy-Muve, banc d'essai).

A fuel cell consumes hydrogen and oxygen to produce clean electric energy. The only byproducts are water and heat. Therefore fuel cell vehicles are considered for the long term sustainable mobility. In a fuel cell hybrid vehicle (FCHV), the electric powertrain is powered by a fuel cell system (FCS) and an energy storage system (ESS). This energy storage system can be either batteries or supercapacitors. The hybrid architecture allows defining power management strategies and offers opportunities in the powertrain sizing. Global optimisation algorithms provide a power split between the FCS and the ESS which minimizes the hydrogen consumption for a priori known driving cycles. The optimal results obtained cannot be used in real time application but they define benchmarks for control strategies evaluation. In this thesis, a sub-optimal real time strategy is proposed based on the optimal control algorithm. The hydrogen consumption also relies on the powertrain sizing. The FCS and ESS sizes should respect the vehicle dynamic capabilities (speed, acceleration) without penalizing the energetic aspects. A sizing tool which helps in the powertrain design is proposed. Finally in this thesis, the theoretical approaches concerning control strategies and sizing procedures are illustrated and validated by real applications (PAC-Car II prototype, Hy-Muve prototype, test bench).; La pile à combustible (PAC) produit de l'énergie électrique à partir d'hydrogène et d'oxygène sans rejets de polluants. Son utilisation dans le secteur automobile est donc envisagée à long terme pour répondre au problème de mobilité durable. Dans un véhicule hybride à PAC, la motorisation électrique est alimentée par une pile à combustible assistée par une source secondaire d'énergie (SSE). Cette source secondaire d'énergie est composée soit de batteries, soit de supercondensateurs. L'architecture hybride obtenue offre un degré de liberté dans la gestion des flux énergétiques et dans le dimensionnement du groupe motopropulseur. La répartition de puissance optimale entre la PAC et la SSE est obtenue grâce à des algorithmes d'optimisation globale qui minimisent la consommation d'hydrogène pour un parcours routier connu a priori. Les résultats obtenus avec ces algorithmes servent d'expertise et de référence de consommation mais sont inapplicables en temps réel. Ici, une stratégie de commande temps réel, nécessairement sous-optimale, a été construite à partir l'algorithme de commande optimale. La consommation d'hydrogène est également influencée par le dimensionnement de la PAC et de la SSE. Celui-ci doit garantir un confort de conduite acceptable (vitesses, accélérations) sans pénaliser les performances énergétiques du véhicule ; un outil d'aide au dimensionnement est nécessaire et proposé dans ce mémoire. Enfin, les approches théoriques développées dans cette thèse sont illustrées par des mises en applications sur des exemples concrets (prototype PAC-Car II, prototype Hy-Muve, banc d'essai).

Given the actual international concerns about global warming and oil depletion, there are increased interests on sustainable development. Thus, in order to preserve our actual mobility habits, it is very important to find new solutions for clean and efficient propulsion. Therefore, the global optimal design in the field of electric drive train is of major interest.The present dissertation proposes a rational methodology for global optimal design and uses it to design electric drive trains. The methodology is general and is managed by constrained optimization. It allows different levels of granularity within the design model. A graphical user interface was developed in order to easily apply this methodology to various practical cases of design. Two objectives were considered. The first relates to the definition of the component specifications, the second one to the detailed design of one or more components of the drive train taking into account the whole system. These applications highlight the advantages of suggested methodology and the importance of a systemic approach.; Les préoccupations actuelles sur le réchauffement climatique et la déplétion des ressources fossiles exigent une mutation basée sur le développement durable. Ainsi, afin de garder nos acquis en termes de mobilité, il est extrêmement important de trouver des solutions de propulsion propres et efficaces. C'est pourquoi, la conception optimale systémique des chaînes de traction électrique est un enjeu majeur.La thèse présente une méthodologie rationnelle pour la conception optimale systémique appliquée à la conception des chaînes de traction électrique. La méthodologie est générale et se base sur l'optimisation sous contraintes. Elle intègre l'utilisation de différents niveaux de granularité au sein du modèle de conception. Une interface a été développée afin d'appliquer aisément cette méthodologie à des cas pratiques variés. Deux objectifs ont été traités, le premier concerne la définition des cahiers des charges des composants, le deuxième concerne la conception détaillée d'un composant de la chaîne de traction en prenant en compte l'ensemble du système. Ces applications mettent en évidence les avantages de la méthodologie proposée et l'importance de l'approche systémique.

To overcome future stringent regulations on pollutant emissions and to decrease CO emissions and fuel consumption, hybrid vehicles seem to be one of the near future most promising technologies. This type of car uses complex energy management and control strategy. Simulation can be very useful for the development of such a control system. This paper highlights a new library developed under the AMESim software that enables the simulation of complex interactive systems in vehicles. In addition, the possibility to combine with other AMESim modules, allows the users to add more complexity to any of the sub-components of the vehicle. As an illustration of this new tool capability, we propose in this paper a simulation example of the Prius, the most known hybrid vehicle which was the first commercial vehicle in 1997 and selected as the 2004 Car of the Year in Europe. Comparisons between measurements and simulations of the response of different components are presented on different driving cycles.

This work deals with the study of Hybrid Excitation Synchronous Machines and design of Permanent Magnet Synchronous Machines in electric or hybrid vehicle applications. This one is placed within the general framework of vehicles polluting substances. The hybrid vehicle, associated with PMSM and HESM constitutes from this point of view an interesting solution to solve these problems. Several analytical electromagnetic models (linear or saturated) of MSAP based on the transformation of Park and the use of networks reluctants intended to be integrated in structures with hybrid excitation were developed. Those make it possible to reconcile precision, speed and simplicity. An HESM was designed and carried out at SATIE laboratory answering to an hybrid vehicle specification sheet. This one could answer the specifications constraints in both terms of obstruction and performances.; Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants destinés à être intégré dans des structures à double excitation. Ceux ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.

This work deals with the study of Hybrid Excitation Synchronous Machines and design of Permanent Magnet Synchronous Machines in electric or hybrid vehicle applications. This one is placed within the general framework of vehicles polluting substances. The hybrid vehicle, associated with PMSM and HESM constitutes from this point of view an interesting solution to solve these problems. Several analytical electromagnetic models (linear or saturated) of MSAP based on the transformation of Park and the use of networks reluctants intended to be integrated in structures with hybrid excitation were developed. Those make it possible to reconcile precision, speed and simplicity. An HESM was designed and carried out at SATIE laboratory answering to an hybrid vehicle specification sheet. This one could answer the specifications constraints in both terms of obstruction and performances., Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants destinés à être intégré dans des structures à double excitation. Ceux ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.

Membre du Jury: Delannay, F. et Le Gall, R. et Salvo, L. et Bienvenu, Y. et Colin, C. et Forest, S.; Among other applications, nickel foams are used as an electrode element in Ni-MH (Nickel/Metal Hydride) batteriesfor hybrid vehicles. The nickel foam production at NiTECH starts with a 10 µm thick coating of nickel onto an open-cellpolyurethane foam. Afterwards, a heat treatment is made with a twofold objective : the polyurethane foam is removedfrom the structure by a non-isothermal combustion under air up to 600°C, then an anneal at roughly 1000°C under areducing atmosphere is designed so that the nickel foam meets the targets for elongation and strength to fracture. Themajor aim of this study is to reduce the costs of production and at the same time to improve mechanical properties ofnickel foams. One of the possible ways is an optimization of the thermal treatment.For that purpose, in a first part, the thermal degradation of the polyurethane foam was studied by thermogravimetricanalysis. The degradation under air involves three superimposed phenomena. The corresponding activation energies werecalculated by the Kissinger method. Afterwards, the three phenomena were separated to isolate the contribution of each ofthem, and the thermal degradation was modeled.In a second part, the dependence of the mechanical behavior of nickel foams upon grain size was studied. Thanks tometallurgical characterizations, the grain coarsening phenomenon which occurs during the anneal of foams was analyzed.The EBSD technique allowed to observe whether the nickel strut grains keep the texture inherent to the electrolyticdeposition step and also, to check the isotropy of the recrystallized nickel. Furthermore, this technique made themeasurements easier by eliminating the annealing twins from the grain distributions. The grain size effects on themechanical properties was then studied, namely via the Hall-Petch law. The foam walls being very thin, roughly 10 µm inthickness, grain growth and mechanical behavior might be different from that of bulk nickel. The results obtained withfoams were compared, on the one hand, with literature data on bulk pure nickel, and on the other hand with nickel foils of10 and 50 µm in thickness. The Hall-Petch law is observed when the grain size is lower than the foil thickness or the wallthickness in the case of foams, whereas once the microstructure becomes “bamboo”, the yield strength remains constant.Finally, a mechanical model in the spirit of this by Gibson and Ashby was presented incorporating the grain size effect onyield strength and hardening modulus.Besides, an other application of nickel foam could be found in the fuel cells operating at high temperatures. In orderto investigate the behavior of nickel foams at high temperatures, tensile creep tests were carried out, on the one handbetween 100 and 200°C under air, and on the other hand, in the range from 500 to 700°C under a primary vacuum. Thecreep parameters, i.e. the Norton exponent and the activation energy were estimated experimentally and incorporated intwo mechanical models considering creep bending or creep traction of the struts.; Les mousses de nickel sont utilisées comme support d'électrode de batteries Ni-MH (Nickel/Métal Hydrure) pour les véhicules hybrides. Le procédé de fabrication consiste à déposer environ 10 microns de nickel sur une mousse de polyuréthanne à cellules ouvertes. Un traitement thermique est ensuite appliqué avec un double objectif : élimination du polymère sous air lors d'un cycle thermique jusqu'à 600°C, suivi d'un recuit à 1000°C sous atmosphère réductrice pour atteindre les propriétés mécaniques requises au cahier des charges.Le principal objectif de cette étude est la réduction des coûts de production tout en améliorant les caractéristiques mécaniques de la mousse. Une des actions de progrès consiste à optimiser le traitement thermique. Pour ce faire, dans une première partie, une optimisation de la dégradation thermique du polyuréthanne est étudiée par analyse thermogravimétrique. La dégradation sous air conduit à la superposition de trois phénomènes dont les énergies d'activation associées ont été calculées par la méthode de Kissinger. Après déconvolution des courbes ATG afin de dégager la contribution de chacun des phénomènes, un modèle de dégradation thermique est proposé.Dans une seconde partie, l'influence de la taille de grains sur les propriétés mécaniques de la mousse a été étudiée. Les caractérisations métallurgiques ont permis une analyse du grossissement des grains qui s'opère durant le recuit. La technique EBSD a permis de savoir si les brins de nickel conservent la texture inhérente à celle du dépôt électrolytique et si la structure cristalline du nickel recuit est isotrope. De plus, cette technique s'est révélée fort pratique pour distinguer les grains des macles de recuit. L'influence de la taille des grains sur les propriétés mécaniques a été étudiée via la loi de Hall-Petch. Les parois des brins de nickel étant très fines, de l'ordre de 10 microns, la croissance des grains et le comportement mécanique peuvent être différents par rapport à du nickel massif. Les résultats obtenus pour les mousses de nickel ont donc été comparés, d'une part avec ceux recensés dans la littérature pour le nickel pur et dense, et d'autre part avec des feuillards de nickel de 10 et 50 microns d'épaisseur. La loi de Hall-Petch est observée pour des tailles de grains inférieures à l'épaisseur des feuillards ou à la paroi des brins dans le cas des mousses, tandis que lorsque la microstructure devient "bambou", la limite d'élasticité reste constante. Finalement, un modèle mécanique, dans l'esprit de celui de Gibson & Ashby, est présenté en incorporant l'effet de la taille des grains sur la limite d'élasticité et le module plastique.Les piles à combustible constituent un autre marché potentiel pour les mousses de nickel, demandant de hautes températures de fonctionnement. Pour connaître le comportement de la mousse à haute température, des essais de fluage en traction ont été réalisés, d'une part entre 100 et 200°C sous air et d'autre part, entre 500 et 700°C sous vide primaire. Les paramètres de fluage, à savoir, l'exposant de Norton et l'énergie d'activation ont été déterminés expérimentalement et incorporés dans deux modèles mécaniques reposant sur la déformation des brins par flexion ou par traction.

An hybrid vehicle is a vehicle with at least two energy sources available for its displacement. In the case of a thermal-electric hybrid vehicle, one source is non-reversible (fuel tank) and the other reversible (battery).The goal is to optimize the use of the battery energy, so as to minimize fuel consumption of the vehicle (and then CO2 emissions). This optimization is possible by using the freedom degrees in the powertrain of the vehicle (gearbox ratios for example), while satisfying power request of the driver., 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.

Hybrid vehicles are usually propelled by one or two electric motor and an internal combustion engine. The first part of this study presents some classical mechanical arrangements and describes the prototype built at the LAMIH during a previous project. Algorithms, called control strategy, are used to choose at each sampling time the power split between the engine and the motor. Some of them rely on empiric rules and uses fuzzy controllers and other deals with more detailed energy flow analysis. Then the choice of the power split is written into the form of an optimization under constraint problem. Several algorithms based on the optimal control theory are proposed. The aim is to compute, in simulation, the control sequence that ensures the lowest fuel consumption. A new control strategy is derived from the global optimization algorithm and a second one is proposed, based on the analysis of the global optimization results. Several criterions are proposed in order to characterize speed cycles, to evaluate control strategies. A comparison of several control strategies shows that one of the proposed control strategies provides best results, closed to those of the global optimization algorithm. At last, the use of the global optimization algorithm for the choice of the mechanical arrangement and sizing the engine and the motor is explained in the last section.; électriques associés à un moteur thermique. La première partie décrit les grandes familles d'architectures et le prototype réalisé au LAMIH au cours de travaux précédents. La deuxième partie est consacrée à l'étude d'algorithmes, appelés stratégies de commande, qui choisissent à chaque instant la répartition de puissance entre les deux chaînes de traction. Les approches envisagées reposent soit sur l'utilisation du formalise flou et mettent en oeuvre des règles de bon sens soit sur l'analyse plus fine des échanges énergétiques au sein du groupe motopropulseur. La répartition de puissance entre les différentes motorisations est ensuite écrite sous la forme d'un problème d'optimisation globale sous contraintes. Plusieurs algorithmes basés sur la théorie de la commande optimale sont alors proposés. L'objectif est de rechercher, en simulation, la séquence de commandes qui minimise de la consommation de carburant. Dans la dernière partie, les résultats des algorithmes d'optimisation globale sont utilisés, dans un premier temps pour proposer deux nouvelles stratégies de commande temps réel. Ensuite, une étude basée sur des critères permettant de caractériser les cycles de vitesses et les performances des stratégies de commande a notamment permis de valider les stratégies proposées. Enfin, l'utilisation des algorithmes d'optimisation globale comme outil d'aide au dimensionnement et aux choix d'architecture est illustré dans la dernière partie.

Hybridization, that is a adding one or more electric machines powered by a battery to a conventional powertrain, is a promising way to achieve fuel consumption and pollutant emission reduction. Several mechanical arrangements can be considered. A control strategy is required to choose at each sampling time the power split between the engine and the electric machine. In simulation over known driving cycle, this problem can be formulated has an optimal control one. Dynamic programming leads to a shortest path problem over an oriented graph. The minimum principle has also been used and leads to a faster but suboptimal algorithm

The FOREVER (Future OpeRational impacts of Electric Vehicles on national European Roads) project was commissioned, as part of the CEDR Transnational Road Research Programme Call 2012 on Noise, to provide information to NRAs with respect to this issue. The project was developed with three key objectives: - To identify the noise emission levels from electric and hybrid vehicles. This has been achieved through practical measurements of noise from electric and hybrid cars, vans and trucks. The information has been used to develop correction factors to allow such vehicles to be included within state-of-the-art noise prediction models and to investigate subjective responses to these vehicles when part of traffic on NRA roads. - To identify the noise emission of tyres used on electric and hybrid vehicles. This has been achieved through practical measurements of noise for different types of tyres, with the aim of identifying whether specific tyres are/can be used for electric vehicles. - To assess the potential future noise impacts of electric and hybrid vehicles. A state-of-the-art noise prediction model has been used, with data from the practical trials, to assess the noise impacts close to the road for a range of different road type/traffic speed/traffic composition scenarios.