Modélisation, conception et expérimentation d'un véhicule hybride léger pour usages urbains

Modeling, design and experimental test of an small urban hybrid electric vehicle

• Auteur / Autrice : Destiny Conscience Eland Loukakou Bounzeki Mbemba
• Direction : Christophe Espanet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 21/12/2012
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Seddik Bacha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Espanet, Hamid Gualous, Rachid Outbib, Frédéric Dubas, Cédric Colançon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamid Gualous, Rachid Outbib

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules électriques hybrides

Batteries

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

Supercondensateurs

Validation expérimentale

Modélisation

Hybrid electric vehicle

Battery

Ultracapacitor

Energy management

Simulation and experimental test

Modeling

Résumé

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’unvéhicule 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 supercondensateurs 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’Électroniquede 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 deprototypage 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.

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 designof electric vehicles and hybrid electric. In this context, this thesis aims to test the feasibility ofan 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.