Modèles de synthèse pour la conception en génie électrique : application à l’électrification des véhicules

Synthesis models for designing in electrical engineering : application to the electrification of vehicles

• Auteur / Autrice : Sephora Diampovesa
• Direction : Arnaud Hubert, Pierre-Alain Yvars
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 10/06/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Écoconception

Batteries lithium-ion

Véhicules électriques

Machines électriques

Programmation par contraintes

Conception orientée objets (informatique)

Ingénierie des systèmes

Conception technique

Électrification

Électrotechnique

Mots clés libres

Conception préliminaire

Systèmes sous-définis

Variabilité

Formalisation de problèmes de conception

Modèle de synthèse

Programmation par contraintes

Approche orientée problème

Réutilisabilité

Systèmes électriques

Preliminary design

Subdefinite system

Variability

Design problems formalization

Synthesis model

Constraint programming

Problem-space oriented approach

Reusability

Electrical systems

Electric engineering

Electrification

Electric machinery

Electrical systems

Object-oriented methods

Sustainable engineering

Electric vehicles

Batteries

Résumé

La norme IEEE 1220 recommande principalement l’utilisation d’outils d’analyse pour la conception de nouveaux produits à travers la simulation d’architectures de systèmes. Cependant, des limitations apparaissent pour l’obtention de nouvelles solutions, car l’analyse repose sur des architectures existantes conçues selon une spécification particulière des exigences et dont les structures ne sont généralement pas modifiées. La conception consistera principalement à adapter leurs dimensions. La variabilité inhérente aux problèmes de configuration et aux problèmes de génération d’architectures ne peut être spécifiée naturellement. Les problèmes de conception incluent généralement des aspects mathématiques difficiles à traiter par les solveurs, tels que les variables mixtes ou l’utilisation de catalogue et qui ne sont pas correctement pris en compte par les outils d’analyse. Les exigences non-fonctionnelles, telles que la sûreté de fonctionnement ou l’éco-conception, ne sont généralement pas non plus traitées en une seule étape avec l’analyse. Ainsi, la conception est allongée par des processus d’analyse supplémentaires. La complexité sans cesse croissante des nouveaux systèmes nécessite de repenser leurs approches de conception pendant la conception préliminaire en améliorant la conceptualisation des architectures, à travers la synthèse. Cette thèse présente une approche outillée et fonctionnelle pour la conception préliminaire de systèmes physiques en Génie Electrique dans le cadre de l’Ingénierie des Systèmes s’appuyant principalement sur la synthèse. Cette approche traite en particulier des problèmes non-linéaires, mixtes de dimensionnement, configuration et de génération d’architectures, à exigences fonctionnelles et non fonctionnelles (notamment de type environnementales) avec catalogue, de systèmes structurés et décomposables. Elle repose également sur l’utilisation de modèles de type boîte blanche pour décrire le système. Elle est complétée par une étape de validation par analyse pour réduire encore l’espace des solutions admissibles. Elle se concentre sur la modélisation de problèmes de conception en Génie Electrique et sur leurs résolutions, en incluant dès le départ des exigences non-fonctionnelles au sein d’un processus unique. En partant de la spécification des exigences, l’approche proposée développe la construction de modèles de synthèse de problèmes de conception et leurs résolutions en utilisant le langage de modélisation de problème DEPS et l’environnement DEPS Studio, en cours de développement (www.depslink.com) et basés sur la Programmation Par Contraintes et la Modélisation orientée objet. Les concepts liés à cette approche incluent en particulier la question de la réutilisabilité des modèles, les notions de sous-définition, d’intégration de modèles, de systèmes sous-définis et de celles d’espaces du problème, des connaissances et des solutions. Plusieurs exemples de conception de systèmes électriques, tels que des machines électriques et une batterie Li-ion pour Véhicule Electrique servent de cas d’étude pratique pour cette thèse.

The IEEE 1220 standard mainly recommands the use of analysis tools for designing new products, throughout the simulation of system architectures. However, limitations appear for obtaining new solutions as analysis rely on existing architectures designed according to a particular specification of requirements and which structures are usually not modified. The design will mainly consists in adapting their dimensions. The variability inherent to configuration and architectures generation problems cannot be specified naturally. Design problems in electrical engineering usually include mathematical aspects that are usually hard to deal with for solvers, such as mixed-type variables or catalog constraints and that are not properly considered by analysis tools most of the time. Non-functional requirements such as safety or eco-design are also usually not addressed in one design step through analysis. Thus, design is lengthened by additional analysis processes. The everincreasing complexity of new systems necessitate to rethink their design approaches during preliminary design by enhancing architectures conceptualization, through synthesis. This thesis presents an equipped and operationalapproach for the preliminary design of systems in the framework of systems engineering by relying mainly on synthesis. This approach deals in particular with non-linear, mixed-type sizing, configuration and architecture generation problems with catalogs, with functional and non-functional requirements (including those of environmental type) of structured and decomposable systems. It also relies on the use of white box model to describe the system. It is completed by a validation step through analysis to reduce furthermore the space of admissible solutions. This approach focuses on the modeling of design problems in electrical engineering and of their solving by including non-functional requirements right from the start through a single process. Starting from the specification of the requirements, the proposed approach develops the construction of synthesis models of design problems and their solvings using the DEPS problem modeling language and the DEPS Studio environment, under development (www.depslink.com), based on Constraint Programming and Object-oriented modeling. Concepts related to this approach include in particular the issue of reusability of models, notions of subdefinite systems and of problem, knowledge and solutions spaces. Several design examples of electrical systems as electrical machines and of a Li-ion battery for Electric Vehicle act as practical study cases for this thesis.