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The focus of this PhD thesis is to design an optimal Energy Management System (EMS) for a Hybrid Electric Vehicle (HEV) following traffic constraints.In the current state of the art, EMS are typically divided between real-time designs relying on local optimization methods, and global optimization that is only suitable for off-line use due to computational constraints.The starting point of the thesis is that in terms of energy consumption, the stochastic aspect of the traffic conditions can be accurately modelled thanks to (speed,acceleration) probability distributions.In order to reduce the data size of the model, we use clustering techniques based on the Wasserstein distance, the corresponding barycenters being computed by either a Sinkhorn or Stochastic Alternate Gradient method.Thanks to this stochastic traffic model, an off-line optimization can be performed to determine the optimal control (electric motor torque) that minimizes the fuel consumption of the HEV over a certain road segment.Then, a bi-level algorithm takes advantage of this information to optimize the consumption over a whole travel, the upper level optimization being deterministic and therefore fast enough for real-time implementation.We illustrate the relevance of the traffic model and the bi-level optimization, using both traffic data generated by a simulator, as well as some actual traffic data recorded near Lyon (France).Finally, we investigate the extension of the bi-level algorithm to the eco-routing problem, using an augmented graph to track the state of charge information over the road network., Cette thèse aborde la conception d'un Système de Gestion Énergétique (EMS), prenant en compte les contraintes de trafic, pour un véhicule hybride électrique. Actuellement, les EMS sont habituellement classé en deux catégories ceux proposant une architecture en temps réel cherchant un optimum local, et ceux qui recherchent un optimum global, plus coûteux en temps de calcul et donc plus approprié à un usage hors ligne. Cette thèse repose sur le fait que la consommation énergétique peut être modélisée précisément à l'aide de distributions de probabilité sur la vitesse et l'accélération. Dans le but de réduire la taille des données, une classification est proposé, basé sur la distance de Wasserstein, les barycentres des classes pouvant être calculés grâce aux itérations de Sinkhorn ou la méthode du Gradient Stochastique Alterné. Cette modélisation trafic a permis à une optimisation hors ligne de déterminer le contrôle optimal (le couple du moteur électrique) qui minimise la consommation de carburant du véhicule hybride sur un segment routier. Dans la continuité, un algorithme bi-niveau tirant avantage de cette information afin d'optimiser la consommation sur l'ensemble du trajet. Le niveau supérieur d'optimisation, étant déterministe, est suffisamment rapide pour une implémentation en temps réel. La pertinence du modèle de trafic et de la méthode bi-niveau est illustré à l'aide de données trafic générées par un simulateur, mais aussi grâce à des données réelles collectées prés de Lyon (France). Enfin, une extension de la méthode bi-niveau au problème d'éco-routage est envisagé, utilisant un graphe augmenté pour déterminer l'état de charge lors du chemin optimal.

Depuis leur "lancement" en 1997, les véhicules électriques hybrides n'ont pas cessé de se développer et de plus en plus de modèles sont maintenant disponibles. Des méthodes numériques de dimensionnement des composants et des architectures peuvent cependant encore améliorer leurs performances ou permettre de trouver les meilleurs compromis pour faciliter encore leur développement. Ce manuscrit présente les travaux effectués pour le développement de méthodes de modélisation et de dimensionnement des véhicules hybrides et de leur composants. Nous partirons des briques élémentaires que sont les modèles des composants et de gestion de l'énergie utiles à la modélisation du système véhicule hybride. Nous proposerons ensuite des méthodologies de dimensionnement et d'optimisation multi-niveaux (architectures/composants/gestion de l'énergie) pouvant permettre, in fine, le choix de la meilleure architecture pour répondre à des objectifs donnés.

International audience; Cet article expose un état de l’art des machines électriques équipant les récents véhicules électriques et hybrides déjà commercialisés.Les différentes topologies de ces machines seront présentées et une analyse approfondie est détaillée pour six machines particulières (Prius 2004, Camry 2007, Lexus 2008, Prius 2010, Honda Accord 2014, BMW i3 2016).

A way to improve both electric and hybrid vehicles is to use high speed motors, operating over than 42.000rpm. The goal is to increase the power density and the efficiency of powertrains. Using these new motors, new gearboxes should be developed. This must be done without generating significant additional cost regarding already mastered low speed solutions. High energy performance level also has to be maintained. This PhD comes before the design phase of a high-speed oil bath lubricated gearbox. It aims to identify the warm-up and power loss problems, and propose ways to improve efficiency. This work proposes a thermomechanical modelling of the gearbox’s first stage, using the thermal network method. This model links power losses with temperatures. Particular attention is paid to high speed bearing modelling. A new thermomechanical model of rolling element bearing is developed. As churning losses being significant at high speeds, a method to greatly reduce this power loss is characterized., Une des voies d’amélioration des véhicules hybrides et électriques est l’utilisation de moteurs tournant plus vite, jusqu’à plus de 42.000tr/min. Le but est d’augmenter la densité de puissance et le rendement des groupes motopropulseurs. Pour utiliser ces moteurs de nouveaux réducteurs mécaniques doivent être développés. Cela doit se faire sans générer de surcoût important face aux solutions utilisées à basse vitesse et en assurant un niveau de performance énergétique élevé. Cette thèse se situe en amont de la phase de conception d’un réducteur haute vitesse lubrifié par barbotage. Elle a pour but d’identifier les problèmes d’échauffement et de pertes de puissance ainsi que de proposer des pistes d’amélioration énergétique. Ce travaille propose la modélisation thermomécanique de l’étage grande vitesse (GV) du réducteur, réalisée à l’aide de la méthode des réseaux thermiques. Ce modèle couple les pertes de puissance avec les températures. Une attention particulière est portée sur la modélisation des roulements de l’arbre GV. Un nouveau modèle thermomécanique de roulement est développé. Les pertes par barbotage deviennent importantes à grande vitesse. Une méthode permettant de fortement les réduire est caractérisée.

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.

The hydrogen, through the use of fuel cell stacks (FC), has been increasily considered as an energy possible option for the transport sector. Nevertheless, the technology related to its implementation in fuel cell vehicles has not reached the required maturity level. Therefore, this work intends to deal some of these existing limitations. More precisely, three topics represent the objectives of this work: The optimal sizing of the element present in the fuel cell hybrid vehicle. The development of an optimal energy management strategy oriented for real time applications and including the dynamic constraints of the FC system. The inclusion of the fuel cell durability in the vehicle energy management strategy. The first topic is tackled by the development of a sizing methodology adapted to the fuel cell hybrid vehicle application. Using a systematic approach, the proposed sizing method combine the performance requirements present in the vehicle's technical specifications, optimization algorithms, population mobility behavior and the economic viability of the design. The second assigned objective was developed using an optimization approach for the power split between the battery and the FC system. Through the adoption of a global optimization method allied with a predictive control strategy and the inclusion of the FC system dynamics, it was created an energy management algorithm oriented for real time applications. Finally, the fuel cell durability was included in this work by the integration of its degradation dynamics in the optimization problem, which is related to the vehicle's energy management. Such dynamic represents a constraint that should be taken into account in the power sharing between the FC system and battery, L'hydrogène à travers de l'utilisation des piles à combustible (PAC), est de plus en plus considéré comme une option énergétique possible au secteur des transports grâce à ces caractéristiques fonctionnelles. Cependant, la technologie liée à la mise en œuvre de véhicules alimentés par une pile à combustible n'a pas encore atteint le niveau de maturité requis. Ainsi, ce travail propose de traiter certaines de ces limitations qui existent encore. Plus précisément, trois thèmes représentent les objectifs de ce travail : Le dimensionnement optimal des éléments présents dans un véhicule hybride à pile à combustible. La gestion d'énergie optimale pour les applications en temps réel et intégrant les contraintes dynamiques du système PAC. Inclusion de la durabilité de la pile à combustible dans la gestion d'énergie du véhicule. Le premier thème est abordé à travers l'élaboration d'une méthodologie de dimensionnement adapté à un véhicule hybride à la pile à combustible. Dans une approche systématique, le dimensionnement proposé combine les exigences de performance présente dans les spécifications techniques du véhicule, les algorithmes d'optimisation, l'analyse de la mobilité de la population et la viabilité économique de la conception. Le deuxième objectif établi a été développé à l'aide d'une approche d'optimisation de la répartition de puissance entre la batterie et le système PAC. Par l'adoption d'une méthode d'optimisation globale combinée à une stratégie de commande prédictive et l'inclusion de la dynamique du système PAC, un algorithme de gestion d'énergie pour des applications de temps réel a été conçu. Enfin, la durabilité de la pile à combustible a été incluse dans ce travail par l'intégration de sa dynamique de dégradation dans le problème d'optimisation lié à la gestion d'énergie. Cette dynamique représente une contrainte à prendre en considération lors de la répartition de puissance entre le système PAC et la batterie.

The transportation sector has been identified as one of many sources of today's energetic and environmental problems. With constantly increasing numbers of vehicles on the road, non-renewable fossil fuels are becoming scarce and expensive. In addition, due to the pollutant emissions of internal combustion engines, the transportation sector is a major producer of greenhouse gas emissions. To resolve these problems researcher are looking for technological solutions, such as more efficient components and alternative drive train technologies, on one hand. On the other hand, work is being done to ensure the most efficient utilization of available technological resources. Eco driving is one way to immediately reduce a driver's energy consumption. In this thesis the potential gains of eco driving for passenger vehicles will be discussed. The main objective of this work is to, first, identify and compare drive train specific, optimal vehicle operation. Secondly, the effect of real-life constraints on potential gains of eco driving is evaluated. In addition, an approach to integrate mathematical optimization algorithms in an advanced driver assist system for eco driving is proposed. Physical vehicle models are developed for three representative vehicles: the conventional, electric and power-split hybrid vehicle. Using real-life and standard drive cycles a baseline mission is defined by specifying trip and road constraint. Applying the dynamic programming algorithms the trajectory optimization problem is solved, minimizing energy consumption for the trip. The effect of traffic on potential gains of eco driving is discussed, considering a vehicle following situation. Integrating emission constraints in the optimization algorithm the environmental advantages of eco driving are discussed. Finally, the developed algorithms were integrated in a driver assist system. Experimental tests on a driving simulator were used to verify the effectiveness of the system, as well as driver acceptance., Pour résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques liés au nombre croissant de véhicules en circulation, deux approches sont envisageables : l'une est technologique et vise à améliorer les composants du véhicule ou son architecture, l'autre est comportementale et cherche à changer la manière d'utiliser les véhicules. Dans ce contexte, l'éco-conduite représente une méthode, applicable immédiatement, permettant à chaque conducteur de réduire sa consommation. L'objectif de cette thèse est donc l'analyse des gains potentiels de l'éco-conduite pour les différents types de véhicules existant : thermique, électrique et hybride. Ainsi, la première partie de ce travail se focalise sur une étude théorique visant à calculer les gains potentiels et à déterminer les règles d'éco-conduite, avant d'aborder dans un second temps une mise en situation plus réaliste et une intégration des algorithmes dans un système d'assistance pour le conducteur. En s'appuyant sur une modélisation énergétique des différents types de véhicules, la détermination et la comparaison du fonctionnement optimal se base sur l'optimisation du profil de vitesse pour des trajets connus. La programmation dynamique a été mise enoeuvre pour calculer la trajectoire optimale énergétique en tenant compte de la contrainte temporelle afin de ne pas pénaliser l'intérêt d'une conduite économe. Evidemment, l'intégration de l'éco-conduite doit, d'une part, tenir compte du trafic à proximité du véhicule et d'autre part, ne pas aboutir à une augmentation des émissions de polluants. Ainsi, en nous appuyant sur des modèles de suivi de véhicules (trafic), nous avons montré que les principes d'éco-conduite restent valables et conduisent de toute façon à des gains énergétiques. Concernant les contraintes d'émissions, des résultats expérimentaux nous ont conduit à adapter nos algorithmes pour répondre simultanément aux aspects écologiques et économiques. Enfin, les connaissances acquises ont été appliquées à la conception d'un système d'assistance testé sur un simulateur de conduite.

The exhaustion, increased cost and location of fossil fuels on the one hand, and the environmental problems caused by emissions of CO2 in the atmosphere on the other hand, are forcing many automotive manufactures to develop major research programs in the design of electric vehicles and hybrid electric. In this context, this thesis aims to test the feasibility of an innovative hybrid drivetrain consisting of a vehicle from existing heat and reduce engine power while adding motors integrated into the wheels of the rear axle. This work was conducted as part of a project funded by ADEME and also in collaboration with the car manufacturer Aixam-MEGA. More specifically, the thesis has focused on the design of energy sources, energy modeling and functional vehicle and finally the implementation and experimental characterization of the vehicle. In the first chapter, the author develops a literature review on the existing hybrid electric vehicles. This allows then to introduce the innovative concept of hybrid drivetrain described above, based somewhat on a road coupling powers of thermal and electric propulsion. In the second chapter the author discusses the design of energy sources focusing on ultracapacitors. It offers an analytical approach simple calculation based on the tasks set by the manufacturer Aixam-MEGA. Modules selected ultracapacitors are then characterized experimentally (capacity, internal resistance, storage efficiency ...) taking into account the effect of temperature. The third and fourth chapters are devoted to the modeling of the vehicle. First, the third chapter discusses the modeling efficiency of the vehicle. The vehicle has been fully modeled using the formalism of Energetic Macroscopic Representation initially developed at the Laboratory of Electrical and Power Electronics of Lille. This model has led to the development of vehicle control. Then, in the fourth chapter, the author presents the functional modeling of the vehicle state machine. This allows predicting the behavior of the vehicle in its different life phases and defining the transitions between these phases. This stage of virtual prototyping is essential to verify the functionality of the upstream and vehicle safety. Finally, the fifth and final chapter is devoted to the experimental characterization of the vehicle. The different operations thermal, electric and hybrid are tested in real taxi trials. In conclusion, the thesis has led to the realization of a hybrid vehicle. The design approaches and modeling of sources and are validated, while also demonstrated the feasibility of a hybrid electric powertrain coupling the road.; La crise du pétrole et les contraintes écologiques obligent de nombreux constructeurs automobiles à développer des programmes de recherche importants dans le développement des véhicules électriques et hybrides électriques. Dans ce contexte, cette thèse a pour but de vérifier la faisabilité d'une chaine de traction hybride innovante consistant à partir d'un véhicule thermique existant et à réduire la puissance du moteur thermique tout en ajoutant des moteurs intégrés dans les roues du train arrière. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME et en collaboration notamment avec le constructeur automobile AIXAM-MEGA. Plus précisément, le travail de thèse a donc porté sur le dimensionnement des sources énergétiques, la modélisation énergétique et fonctionnelle du véhicule et enfin la réalisation et la caractérisation expérimentale du véhicule. Dans le premier chapitre, l'auteur développe une revue bibliographique relative aux véhicules hybrides électriques existants. Cela permet ensuite d'introduire le concept innovant de chaine de traction hybride décrit ci-dessus, reposant en quelque sorte sur un couplage par la route des puissances de propulsion thermiques et électriques. Dans le deuxième chapitre l'auteur aborde le dimensionnement des sources énergétiques en se focalisant sur les super-condensateurs. Il propose une approche analytique simple de calcul reposant sur les missions définies par le constructeur AIXAM-MEGA. Les modules de super-condensateurs retenus sont ensuite caractérisés expérimentalement (capacité, résistance interne, rendement de stockage...) en prenant en compte l'effet de la température. Les troisième et quatrième chapitres sont consacrés à la modélisation du véhicule. En premier lieu, le troisième chapitre aborde la modélisation énergétique du véhicule. Le véhicule a entièrement été modélisé en utilisant le formalisme de représentation énergétique macroscopique développée initialement au Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique de Puissance de Lille. Ce modèle a permis de développer le contrôle du véhicule. Ensuite, dans le quatrième chapitre, l'auteur présente la modélisation fonctionnelle du véhicule par machine d'état. Cela permet de prévoir le comportement du véhicule dans ses différentes phases de vie et de définir les transitions entre ces différentes phases. Cette étape de prototypage virtuel est essentielle afin de vérifier en amont la fonctionnalité du véhicule et sa sécurité. Enfin, le cinquième et dernier chapitre est entièrement consacré à la caractérisation expérimentale du véhicule. Les différents fonctionnements thermiques, électriques et hybrides sont testés lors de vrais essais de roulage. En conclusion, le travail de thèse a abouti à la réalisation d'un véhicule hybride. Les approches de dimensionnement des sources et de modélisation sont ainsi validées, tout en faisant également la preuve de la faisabilité d'une chaine cinématique hybride électrique avec couplage par la route.

OIPE 2012 - 12th International Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism, GHENT, BELGIQUE, 19-/09/2012 - 21/09/2012; 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, using an optimal energy management, in order to minimize the fuel consumption on a driving cycle. This optimization approach of the HEV uses Radial Basis Function (RBF) models which allow a fast constrained optimization.

The technical progress made during last years in the battery field and the environmental standards hardening lead to an increased interest in hybrid and electric vehicles. The possibility to use several power sources inside a vehicle leads to question the traditional vehicle architectures and to study multi-power sources architectures. After a state of the art on architectures and torque transmission systems, the VELROUE project's prototype is presented. This prototype is later used as a validation platform. Then, the rear wheels slipping control of the VELROUE vehicle which is equipped with an internal combustion engine on the front axle and with two electric motors connected to the rear wheels is studied. Next, different vehicle models are described to analyze energy transfers inside the system using Bond Graph, to synthesize anti-slipping control laws and to simulate the vehicle behavior in order to validate the anti-slipping functions (ASR). A first PID-like controller is initially introduced to serve as reference. The main contribution of this thesis deals with the synthesis and implementation of nonlinear controls either using linearizing feedback, or based on the flatness theory. The synthesis controls models come from classical hypothesis: longitudinal and vertical dynamics and pitch on a double bicycle model. A control strategy is also developed to assure driver's security, to reduce material needs and to enhance the driver approval. Finally, the nonlinear controls developed here are simulated and then experimentally validated on the VELROUE vehicle. A comparison of these commands is performed according to energy, performance, complexity and cost criteria. These control laws developed for ASR are extended to regenerative braking phases (MSR), which is also an originality of this work., Les progrès techniques faits ces dernières années dans le domaine des batteries ainsi que le durcissement des normes écologiques entraînent un regain d'intérêt pour les véhicules hybrides et électriques. La possibilité d'utiliser plusieurs sources de puissance à l'intérieur d'un même véhicule conduit à remettre en question les architectures traditionnelles des véhicules et à étudier des architectures multi-sources. Après un état de l'art des architectures et des systèmes de transmission de couple, le véhicule prototype du projet VELROUE, utilisé par la suite comme moyen d'essai, est présenté. Puis, le contrôle du patinage des roues arrière du véhicule VELROUE équipé d'un moteur thermique sur le train avant et de deux moteurs électriques reliés aux roues arrière est étudié. Ensuite, différents modèles véhicules sont détaillés en vue d'analyser les transferts d'énergie au sein du système à l'aide de l'outil Bond Graph, de synthétiser des lois de commande de contrôle du patinage et de simuler le comportement du véhicule pour valider les fonctions d'anti-patinage (ASR). Une première commande de type PID qui servira de référence est dans un premier temps introduite. La contribution principale de ce travail de thèse concerne la synthèse et la mise en oeuvre de commandes non linéaires soit par retour linéarisant, soit basée sur la théorie de la platitude. Les modèles de synthèses de commande sont issus d'hypothèses classiques retenues lors des situations de vie considérées : dynamique longitudinale, pompage et tangage sur un double modèle bicyclette. Une stratégie de commande est également développée afin d'assurer la sécurité du conducteur, de réduire les besoins matériels et d'améliorer l'agrément conducteur. Enfin, les commandes non linéaires développées sont testées en simulation puis validées expérimentalement sur le véhicule VELROUE. Une comparaison de ces commandes est effectuée selon des critères énergétiques, de performances, de complexité et de coût. Ces techniques développées pour l'ASR sont étendues pour des phases de freinage récupératif (MSR), qui constitue également une originalité de ces travaux.

VPPC 2011 - 7th Vehicle Power and Propulsion Conference, CHICAGO, ETATS-UNIS, 06-/09/2011 - 09/09/2011; This paper deals with the energy share between batteries and supercapacitors within hybrid electric vehicles (HEV). A library of models, known as Hybrid Electric Vehicle Library (VEHLIB), which combines the different models to form a coherent modular base, has been constructed and implemented in real time simulator. Real-time results are here discussed in order to illustrate the effectives of models used. The integration of the on-board energy source of an electrically propelled vehicle with a supercapacitor bank (SB) as a peak power unit, can lead to substantial benefits in terms of electric vehicle, battery life and energy economy. An energy management strategy is also suggested, which is based upon the DC bus voltage regulation

The energy management issue in hybrid vehicles consists on determining a power split between different sources of energy in order to minimise the fuel consumption and/or pollutant emissions. This objective is achieved by designing a control strategy. Using a prior knowledge of vehicle driving cycle, the problem is formulated as an optimal control problem aiming to minimize fuel consumption under constraints. Global optimisation algorithms are then applied. The latter are limited to simulation; nevertheless, they allow designing real time control strategies. The objective of the thesis is to develop energy management laws which can control the vehicle on line. The problem is therefore to forecast a driving cycle profile, allowing predicting the driver power demand. To this end, two on line strategies based on a global optimisation algorithm are proposed. The first one, concerns a vehicle following a prescribed route, and the second is applied when any information about future driving conditions is available. A validation of the proposed algorithms on a test bench was done, and the results in terms of fuel consumption and pollutant emissions are compared to the conventional vehicle; Le problème de la gestion énergétique des véhicules hybrides consiste essentiellement à développer des algorithmes appelés : stratégies de commande, dont le rôle est de choisir à chaque instant la meilleure répartition de puissance entre les différentes sources d'énergie d'une manière à minimiser la consommation de carburant et/ou les émissions de polluants. Le problème est formulé comme un problème de commande optimale qui, en connaissant a priori le profil de vitesse du véhicule, vise à trouver la répartition optimale de puissance en minimisant la consommation de carburant, sous contraintes. Il s'agit ici des algorithmes dits d'optimisation globale. Bien que ces deniers soient limités à la simulation, ils permettent, néanmoins de déduire des stratégies de commande « sous-optimales » applicables en ligne. L'objectif de la thèse est d'élaborer des lois de gestion d'énergie applicable en ligne. Ceci revient à « prédire » le profil de vitesse du véhicule permettant d'estimer la demande de puissance du conducteur. A cette fin, Deux stratégies de commande temps réel basées sur l'algorithme d'optimisation globale ont été proposées. La première concerne le cas particulier d'un véhicule circulant sur le même trajet physique, et la seconde est une généralisation à tout types de parcours. Enfin, une mise en œuvre des stratégies temps réel proposées sur un banc moteur a permis de valider les résultats de simulation obtenus et d'évaluer le gain d'hybridation par rapport à un véhicule conventionnel équivalent.

The recent global realization of the future lack of oil and the climate changed due to human activities grow the automobile manufacturer to propose new technology and the hybrid electric vehicle (HEV) is one of these possibilities. The battery is one of the essential parts in this vehicle but probably the most critical one with respect to reliability and life expectation. This study gives the tools which are necessary to estimate these characteristics. Particularly, it focuses on the performance assessment and representative ageing profils design which could be used in accelerated tests. This work examines nickel metal hydride (NiMH) and lithium-ion (Li-ion) technologies which are considered the standard advanced batteries for hybrid vehicles., Face à la raréfaction du pétrole et aux contraintes environnementales fixées dans le cadre du protocole de Kyoto, le domaine des transports tend à évoluer vers des technologies moins consommatrices et moins émettrices de gaz à effet de serre. À ce jour, dans le domaine de l'automobile, une solution technologique fortement envisagée est l'hybridation électrique des véhicules. Le développement de ces véhicules reste néanmoins limité à cause de l'incertitude concernant la durée de vie des batteries. Cette étude porte sur la préparation de tests de vieillissement accélérés et s'articule autour de deux axes : l'évaluation des performances des batteries à un instant de vie donné et la détermination de profils de sollicitations représentatifs de l'usage réel à utiliser pour les tests de cyclage. L'étude se focalise sur deux des technologies les plus prometteuses pour les véhicules hybrides électriques, c.-a-d. le nickel métal hydrure (NiMH) et le Lithium-ion (Li-ion).

The increase of electrical power demand in vehicles and requirements for machines for hybrid vehicles encouraged to explore alternative structures of machines to the claw pole alternator. Here, an innovative structure with double parallel excitation has been studied for the alternator needs. The introduction of the magnets provides a huge increasing of power, it has been highlighted by comparing this structure to a conventional salient pole machine, the power has been squarely lined. The specification fixed (3.2 kW) for this study was achieved without difficulties. The double excitation chosen allows the flux weakening, and therefore the output control with a simple diode bridge rectifier. The experimental and theoretical study has shown the effectiveness of the flux control by rotor current and without any risk of demagnetization of magnets. The experimental comparison in the same dimensions with a claw pole structure with interpolar magnets shows the supremacy of this latest one. In output due to its global excitation coil allowing more ampere turns, and in efficiency for low power due to its total and local field weakening. However, for high power, the double excitation machine, with its two dimensional structure, has more efficiency due to its low iron loss. Further study may show a good positioning of this structure for engine applications in hybrid vehicles. A little comparison of performance with the claw pole machine showed that this one is not automatically better, L'augmentation de la demande d'énergie à bord des véhicules et les besoins en machines de traction pour les véhicules hybrides incite à étudier d'autres structures de machines que l'alternateur à griffes. Ici, une structure à double excitation parallèle innovante à été étudiée pour le besoin alternateur. L'introduction des aimants apporte un surplus considérable de puissance, ceci a été mis en évidence en comparant cette structure à une machine à pôles saillants bobinés classique, la puissance a été carrément doublée. Le cahier des charges (3,2 kW) pour cette étude a été atteint sans difficultés. Le principe de double excitation choisi permet le contrôle du flux, et donc du débit avec un simple pont redresseur à diodes. L'étude théorique et expérimentale a montré l'efficacité de la désexcitation par le courant rotor et sans risque de démagnétisation des aimants. La comparaison expérimentale et à iso-encombrement avec une structure à griffes à aimants interpolaires montre la suprématie de cette dernière, en puissance grâce à sa bobine d'excitation globale permettant plus d'ampères tours, et en rendement en faibles puissances grâce à son défluxage total et local. Néanmoins, pour les fortes puissances, la machine à double excitation, de part sa structure bidimensionnelle, ayant moins de pertes fer, à plus de rendement. Une étude plus poussée pourra montrer le positionnement de cette structure pour les applications moteur dans les véhicules hybrides. Une petite comparaison de performances avec la machine à griffes a montré que cette dernière n'est pas automatiquement la meilleure.

This work deals with the Hybrid Excitation Synchronous Machines (HEMS) study and the Permanent Magnets Synchronous Machines (PMSM) design for hybrid vehicles applications in order to reduce the vehicles polluting emission reduction. The hybrid vehicle, associated with PMSM and HEMS constitutes from this point of view an interesting solution to solve these problems. Several PMSM analytical electromagnetic models (linear or not) based on the Park transformation and the use of reluctant networks were developed. Those make it possible to combine precision, fast computations and simplicity. A HEMS was designed and achieved at SATIE laboratory and answered a specification sheet of hybrid vehicle provided by PSA group. This one could answer the constraints of the specifications at the same time in term of sizing and performances., Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement des 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. 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.

In this work, we studied induction machines for automotive traction applications, more specifically, for hybrid vehicles. We developped the necessary models and methods to analyse and design such electric machines. First, we used a limited number of finite element computations to establish a non-linear electromagnetic model of the machine. This model was then adapted to study the sensitivity of the design for the most signifiant geometric variations. Thus, we can easily adapt a machine for new sizing requirements. Finally, we extended this modelling methodolgy to take into account a greater number of parametric variations. This final model was used for constrained optimisation on the geometry of a machine. To achieve this, we proposed a new " reset model optimisation" method, combining fast computations, precision and simplicity. This methodology was used to design an induction machine with hybrid sizing considerations., Ce travail concerne l'étude des machines asynchrones à cage dans les applications de traction automobile, en particulier pour les véhicules hybrides. Nous avons développé des modèles et des méthodes utiles pour analyser et dimensionner de telles machines électriques. Nous avons tout d'abord mis au point un modèle électromagnétique non linéaire de la machine, déterminé à partir d'un nombre restreint de calculs "éléments finis". Ce modèle a ensuite été adapté pour réaliser des études de sensibilités sur quelques dimensions géométriques importantes. Il permet d'adapter rapidement une machine à un nouveau cahier des charges. Nous avons finalement étendu cette méthode de modélisation pour prendre en compte un plus grand nombre de paramètres géométriques. Ce dernier modèle paramétrique a été utilisé pour l'optimisation sous contrainte des dimensions d'une machine. Pour cela, nous avons proposé une nouvelle méthode "d'optimisation à modèle recalé" qui concilie précision, rapidité et simplicité. Cette démarche a été appliquée au cas concret d'un dimensionnement de machine asynchrone avec un cahier des charges typique d'un véhicule hybride.

The integration of ultracapacitors in applications like hybrid requires knowledge of their behavior during aging. Thus, the objective of this thesis is the evaluation of aging and the definition of a model for predicting the health of supercapacitors. The aging results are presented focusing mainly on the evolution of performance during accelerated aging function of temperature, voltage and duration of stops in the case of cycling. An aging model is defined to describe the evolution of performance by focusing on the key mechanisms of aging., L’intégration des supercondensateurs dans les applications de type véhicule hybride nécessite la connaissance de leur comportement au cours du vieillissement. Ainsi, l’objectif de cette thèse est l’évaluation du vieillissement et la définition d’un modèle permettant la prédiction de l’état de santé des supercondensateurs. Les résultats de vieillissement sont présentés en s’intéressant principalement à l’évolution des performances durant le vieillissement accéléré en fonction de la température, de la tension et de la durée des arrêts dans le cas du cyclage. Un modèle de vieillissement est défini pour décrire l’évolution des performances en s’attachant aux principaux mécanismes de vieillissement.