Méthodologie d’optimisation du dimensionnement et de la gestion de l'énergie d’un véhicule à hydrogène : Application à un véhicule de compétition automobile

Optimization based methodology for the sizing and energy management of a hydrogen-powered vehicle : Application to a race competition vehicle

• Auteur / Autrice : Essolizam Planté
• Direction : Eric Bideaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Bideaux, Marie-Cécile Péra, Laurent Gerbaud, Xavier Roboam, Daniel Chatroux, Mylène Delhommais, Mathias Gerard, Xavier Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Gerbaud, Xavier Roboam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène (combustible)

Optimisation globale

Véhicules à hydrogène

Mots clés libres

Automatique

Commande optimale

Véhicule à hydrogène

Dimensionnement par optimisation

Optimisation combinatoire

Optimisation multi-Critères

Gestion énergie

Energie embarquée

Automation

Optimization control

Hydrogen vehicles

Optimization design

Combinatorial optimization

Multi-Criteria optimization

Energy management

On-Board energy

Résumé

Les systèmes hybrides embarqués qui possèdent plusieurs sources d’énergie sont une alternative pour la transition écologique dans le secteur des transports. En contrepartie, ils sont complexes à dimensionner : il y a notamment une forte dépendance entre conception/choix des composants et loi de gestion de l’énergie pour assurer le fonctionnement nominal des composants du système et garantir une gestion d’énergie optimale. En effet, la complexité du problème à résoudre croît rapidement avec le nombre de composants dans le système : les méthodes d’optimisation classiques connaissent très rapidement des limites face au nombre croissant de variables de décision et la complexité des modèles. Il devient donc nécessaire d’élaborer de nouvelles démarches pour pré-dimensionner de tels systèmes. L’état de l’art met en exergue la nécessité de bien poser le problème, de reformuler ou d’adapter différentes parties de ce problème et enfin de s’appuyer sur l’hybridation des différentes techniques d’optimisation. Dans ce travail, nous avons donc relevé deux défis. Le premier est relatif au développement d’une méthodologie pour l’optimisation couplée du dimensionnement et de la gestion de l’énergie étant donné l’usage. Le deuxième concerne l’application : non-conventionnelle, elle s’intéresse à un véhicule de compétition automobile pour lequel on ne recherche pas la consommation minimale mais la puissance massique maximale tout en garantissant l’achèvement de la mission dans un temps minimum. Ce type d’usage s’illustre par des transitoires de puissance demandée de grande amplitude à haute fréquence. Nous proposons donc dans ce travail différentes méthodes d’adaptation et de reformulation des éléments clés du problème afin d’aboutir à une démarche d’optimisation bi-niveau (dimensionnement et commande) qui permet de traiter des problèmes multi-objectifs. Cette contribution permet d’aboutir à des temps de calcul réduits mais néanmoins garantissant une vaste exploration de l’espace de recherche et une bonne optimisation de la gestion de l’énergie sur une mission représentative. Cette approche appliquée au véhicule de compétition automobile permet de souligner tout l’intérêt et la pertinence de nos propositions pour apporter une aide à la conception des Systèmes d’Energie Electriques Embarqués.

On-board hybrid systems with multiple energy sources are an alternative for the ecological transition in the transportation sector. On the other hand, they are complex to size : there is obviously a strong dependence between the design or choice of components, and energy management control law to ensure nominal operation of system components and guarantee optimal energy distribution. Indeed, the complexity of the problem to be solved increases rapidly with the number of components in the system : conventional optimization methods quickly reach their limits while facing huge increase of the number of decision variables and the complexity of the models. It is therefore necessary to develop new approaches to achieve a preliminary design such systems. The state of the art highlights the need to define the problem properly, to reformulate or adapt different parts of the problem and, finally, to rely on the hybridization of different optimization techniques. In this work, we have taken up two challenges. The first relates to the development of a methodology for the coupled optimization of components sizing and energy management for a specific use. The second concerns the application : unconventional, it is dedicated to a motor racing vehicle for which the aim is not to minimize fuel consumption but maximize power-to-weight ratio, while guaranteeing completion of the mission in minimum time. This type of application is characterized by high amplitude and high frequency power transients. We propose here various methods for adapting and reformulating the main aspects of the problem, in order to achieve a bi-level optimization approach (sizing and optimal control) dealing with multi-objective problems. This contribution makes it possible to achieve reduced computation times, while guaranteeing a wide exploration of the search space and efficient optimization of energy management on a representative mission profile. This approach, applied to a racing vehicle, highlights the interest and relevance of our proposals as a contribution to the design of on-board electrical energy systems.