Le véhicule hybride combine plusieurs sources d’énergie pour se déplacer réduisant ainsi sa consommation. La gestion d’énergie est l’organe intelligent du véhicule qui permet de décider comment et quand utiliser ces sources. Différentes gestions sont possibles pour un même véhicule. Plus elle prend de contraintes en considération, plus elle est efficace, mais plus elle est difficile à réaliser en temps réel. La gestion du chauffage habitacle (impactant sensiblement la consommation) est cependant considérée de manière indépendante de la gestion de la chaîne de traction. Les stratégies optimales permettent de déterminer la meilleure répartition de puissance pour obtenir la consommation minimale. Si cette stratégie peut être déterminée d’un point de vue théorique en simulation, elle ne peut pas être reproduite sur un véhicule réel. En revanche, il est possible de déduire une gestion d’énergie temps réel à partir des stratégies optimales. Néanmoins, cette réalisation est complexe et pour le moment non structurée. L’objectif de la thèse est de proposer une gestion d’énergie globale d’un véhicule hybride incluant à la fois le système de traction et de chauffage. Pour cela, les échanges thermiques sont modélisés et organisés suivant le formalisme REM (Représentation Energétique Macroscopique) permettant d’unifier tous les modèles. Des validations expérimentales permettent de s’assurer de la précision des modèles. Enfin, une démarche progressive est proposée afin de construire une gestion d’énergie utilisable en temps réel et dont les résultats sont proches de l’optimum. / Hybrid vehicle uses several energy sources to reduce its fuel consumption. Energy management strategy (EMS) is one key element that enables to decide when and how to use these sources. For a single vehicle, different EMSs are possible. More the EMS considers constraints, more it is efficient but more it is difficult to solve in real time. The cabin heating system management who has a significant impact on the consumption is considered in a different EMS than the traction system management. Optimal EMS enables to evaluate the ideal power splitting to reach the minimal consumption. If this EMS can be theoretically evaluated in simulation, it cannot be implemented in real time. Nevertheless, it is possible to deduce a real time EMS using the results of the optimal EMS. This deduction is complex and no methodology is available to structure this conception. The objective of this thesis is to propose an EMS of a hybrid vehicle who includes the management of the traction system and of the heating system. To do that, the thermal exchanges are modeled and described using EMR (Energetic Macroscopic Representation) to unify all models. Experimental validations enable to evaluate the models accuracy. To finish, a step by step methodology is proposed to organize the development of a real time EMS. The results obtained with this real time EMS are closed to the optimal theoretical result.

Actuellement, les Véhicules Electriques Hybrides (VEHs) sont considérés comme une partie essentielle du futur de l'industrie automobile. En effet, cette technologie permet de réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre et ce, sans réduire les performances. Les VEHs sont composées de deux ou plusieurs sources d'énergie. Ces sources peuvent être organisées selon plusieurs architectures. Dans cette thèse, l’architecture série-parallèle est choisie pour des véhicules types militaires et de collecte d’ordures. Les VEHs étudiés contiennent un double train planétaire. Ce nouveau répartiteur de puissance rend le système très complexe. Par conséquent, dans cette thèse, la modélisation des VEHs étudiés avec un double train planétaire est faite. L’utilisation de la Représentation Macroscopique Energétique (REM), représentation graphique permettant de déduire la structure de commande, est effectuée pour les deux véhicules étudiés. Cette thèse aborde également la problématique de la gestion de l'énergie des systèmes multi-sources pour les VEHs. Leur stratégie de gestion de l'énergie regroupe plusieurs disciplines et soulève différents challenges. Les défis résident principalement dans la gestion de la dépense d'énergie, la détermination de la répartition de l’énergie et l’établissement de méthode d'interface entre les différents systèmes de manière à répondre aux exigences de la propulsion et des autres exigences de la charge. Dans ce travail, une nouvelle organisation de la stratégie de gestion de l’énergie a été effectuée pour les véhicules étudiés (véhicules militaire et de collecte d’ordures) par une décomposition de cette gestion en 3 niveaux bien distincts. / Currently, Hybrid Electric Vehicles (HEVs) are considered to be a critical part of the future vehicle industry. This is because they allow for decreased fuel consumption and emissions without a decline in performance. HEVs are composed of two or more power sources and can be arranged in various topologies. In this thesis, a series-parallel architecture is chosen for military and garbage trucks. The studied HEVs contain a Double Planetary Geartrain as a Power Split Device (PSD), which makes the system very intricate and complex. Therefore, in this thesis, modeling of studied HEVs with a PSD is done. Later, through the assistance of Energetic Macroscopic Representation (EMR) it is graphically represented and local control structure for both vehicles are deduced.This dissertation also addresses the problem of managing energy of multiple energy sources for the studied HEVs. The Energy Management Strategy (EMS) in application to HEVs encompasses several different disciplines and challenges. Primarily, the challenges lies in managing the energy expenditure, determining the proportional power splits and establishing methods to interface between the systems so as to meet the demands of the vehicle propulsion and other load requirements. In this work, an attempt has been made to provide a new organization of EMS by decomposition in 3 explicit levels for studied vehicles i.e. military and garbage truck.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της κατασκευής και την ανάπτυξη ενός πειραματικού οχήματος πόλης με ενεργό διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη του ακριβούς ελέγχου της κίνησης των κινητήριων τροχών του οχήματος κατασκευάζοντας ένα ηλεκτρονικό διαφορικό. Ταυτόχρονα αναπτύχθηκε σύστημα παρακολούθησης συσσωρευτών. Αρχικά εξετάζεται η λειτουργία του μηχανικού διαφορικού και τω εφαρμογών του. Παρουσιάζονται μερικοί τύποι μηχανικών διαφορικών και αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που τους συνοδεύουν. Ακολουθεί η μελέτη της συμπεριφοράς της τροχιάς του άξονα κίνησης με τις χαρακτηριστικές εξισώσεις που περιγράφουν τις ταχύτητες των κινητήριων τροχών. Παράλληλα εξετάζονται οι μέθοδοι αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς. Γίνεται εκτενής παρουσίαση του τρόπου λειτουργίας και των τύπων των συσσωρευτών καθώς και των συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου τους. Στη συνέχεια προσδιορίζονται οι προδιαγραφές του ηλεκτροκίνητου οχήματος και γίνεται μελέτη και υπολογισμός του απαραίτητου ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Προσδιορίζεται η απαραίτητη ισχύς του κινητήριου συστήματος και η αναγκαία η ισχύς των συσσωρευτών. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές προκύπτει και η κατάλληλη χωρητικότητα των συσσωρευτών καθώς επίσης και η διάταξή τους. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη και ανάπτυξη της κατασκευής των τυπωμένων κυκλωμάτων που θα ελέγχουν και θα παρακολουθούν το ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Ακολουθεί η εγκατάσταση των συσσωρευτών, των δύο κινητήριων συστημάτων και των περιφερειακών εξαρτημάτων του οχήματος. Τέλος ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και η μελέτη της συμπεριφοράς του οχήματος μετά την εγκατάσταση του νέου συστήματος και η αξιολόγηση των θεωρητικών υπολογισμών. / This thesis deals with the study of construction and development of an experimental city vehicle with active differential electric powertrain. The work took place at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The aim is to study the precise control of motion of the drive wheels of the vehicle by manufacturing an electronic differential. Also, a battery monitoring system has been developed. First of all, the mechanical differential and its applications are studied. There are presented some types of mechanical differentials and their corresponding advantages and disadvantages. Also, the trajectory of the drive shaft is analyzed with the characteristic equations that describe the speed of the drive wheels. Additionally, the methods of storing electrical energy in electric transportation are examined. Various types of batteries are presented and operation as well as monitoring and management systems. Moreover, there are determined the specifications of the electric vehicle and then the necessary electrical and electronic equipment is studied and calculated. The required power of the drive system and the necessary power of the batteries are determined. According to the specifications, the capacity of the battery stack is calculated as well as the arrangement of the cells. The next step is the development of the printed circuit boards that control and monitor the electric powertrain. The installation of the batteries, the two drive systems and peripheral components of the vehicle are clearly presented. Finally, measurements of the electronic systems during testing are presented as well as the macroscopic values, followed by and an evaluation of the theoretical calculations.

Le développement de la commande d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs doit prendre en compte les contraintes liées à l’association de ses composants. La commande par inversion apporte une solution. Elle utilise une approche systémique et cognitive afin d’identifier la cause qui produit l’effet désiré et inverse les modèles des éléments associés pour obtenir une structure de commande. Ainsi, les commandes déduites de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) et du Backstepping font partie de la catégorie des commandes par inversion. Le Backstepping déduit une commande stable de la plupart des systèmes non-linéaires. Cependant, il ne permet pas de gérer de façon claire et efficace les couplages énergétiques. Il est alors possible de décomposer physiquement le système suivant les règles de la REM. La REM permet également de séparer explicitement la commande et la stratégie de gestion de l’énergie. Dans cette thèse en cotutelle franco-québécoise, les caractéristiques des deux commandes ont été soulignées. Les deux méthodes apparaissent alors complémentaires. L’intégration du Backstepping apporte à la REM l’assurance d’une stabilité intrinsèque. Les principes de la REM, quant à eux, permettent au Backstepping de gérer les couplages énergétiques. Le développement d’une commande par inversion stable d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs est donc proposé par la combinaison de ces deux méthodes de commande, suivant une procédure d’inversion combinée. La répartition des puissances du véhicule est ainsi réalisée en temps réel, sur dispositif expérimental, suivant une stratégie de filtrage et la commande stable par inversion combinée développée. / The development of the control of a fuel cell/supercapacitor vehicle must take into account the constraints related to the associations of its components. Inversion based control can solve this problems. This use a systemic and cognitive approach to find the cause which produce the desired effect and inverse the associated component models to obtain a control structure. In this way, Energetic Macroscopic Representation (EMR) and Backstepping have inversion based control approach. The Backstepping method deduces stable control of most classes of nonlinear systems. However, it don’t effectively and simply manage the energetic couplings. A physical decomposition of the studied system following the EMR rules bring a solution. EMR enables a systematic deduction of control schemes, specifically a clear distinction between the local control and the energy management strategy level. In this franco-quebecer co-tutorial thesis, similarities between the both control methods has been shown. EMR and Backstepping can complement each other. The integration of the Backstepping bring intrinsic stability to the EMR. The Backstepping can manage the energetic couplings thanks to EMR. The development of a fuel cell/supercapacitor vehicle stable inversion based control is then proposed using the combination of the both control methods. Thus, the power distribution is achieve in real time using a filtering strategy and the stable proposed combined inversion based control.

Les véhicules électriques et hybrides font partie des éléments clés pour résoudre les problèmes de réchauffement de la planète et d'épuisement des ressources en combustibles fossiles dans le domaine du transport. En raison des limites des différents systèmes de stockage et de conversion d’énergie en termes de puissance et d'énergie, les hybridations sont intéressantes pour les véhicules électriques (VE). Dans cette thèse, deux hybridations typiques sont étudiées • un sous-système de stockage d'énergie hybride combinant des batteries et des supercondensateurs (SC) ; • et un sous-système de traction hybride parallèle combinant moteur à combustion interne et entraînement électrique. Ces sources d'énergie et ces conversions combinées doivent être gérées dans le cadre de stratégies de gestion de l'énergie (SGE). Parmi celles-ci, les méthodes basées sur l'optimisation présentent un intérêt en raison de leur approche systématique et de leurs performances élevées. Néanmoins, ces méthodes sont souvent compliquées et demandent beaucoup de temps de calcul, ce qui peut être difficile à réaliser dans des applications réelles.L'objectif de cette thèse est de développer des SGE simples mais efficaces basées sur l'optimisation en temps réel pour un VE et un camion à traction hybride parallèle alimentés par des batteries et des SC (système de stockage hybride). Les complexités du système étudié sont réduites en utilisant la représentation macroscopique énergétique (REM). La REM permet de réaliser des modèles réduits pour la gestion de l'énergie au niveau de la supervision. La théorie du contrôle optimal est ensuite appliquée à ces modèles réduits pour réaliser des SGE en temps réel. Ces stratégies sont basées sur des réductions de modèle appropriées, mais elles sont systématiques et performantes. Les performances des SGE proposées sont vérifiées en simulation par comparaison avec l’optimum théorique (programmation dynamique). De plus, les capacités en temps réel des SGE développées sont validées via des expériences en « hardware-in-the-loop » à puissances réduites. Les résultats confirment les avantages des stratégies proposées développées par l'approche unifiée de la thèse. / Electric and hybrid vehicles are among the keys to solve the problems of global warming and exhausted fossil fuel resources in transportation sector. Due to the limits of energy sources and energy converters in terms of power and energy, hybridizations are of interest for future electrified vehicles. Two typical hybridizations are studied in this thesis: • hybrid energy storage subsystem combining batteries and supercapacitors (SCs); and• hybrid traction subsystem combining internal combustion engine and electric drive. Such combined energy sources and converters must be handled by energy management strategies (EMSs). In which, optimization-based methods are of interest due to their high performance. Nonetheless, these methods are often complicated and computation consuming which can be difficult to be realized in real-world applications.The objective of this thesis is to develop simple but effective real-time optimization-based EMSs for an electric car and a parallel hybrid truck supplied by batteries and SCs. The complexities of the studied system are tackled by using Energetic Macroscopic Representation (EMR) which helps to conduct reduced models for energy management at the supervisory level. Optimal control theory is then applied to these reduced models to accomplish real-time EMSs. These strategies are simple due to the suitable model reductions but systematic and high-performance due to the optimization-based methods. The performances of the proposed strategies are verified via simulations by comparing with off-line optimal benchmark deduced by dynamic programming. Moreover, real-time capabilities of these novel EMSs are validated via experiments by using reduced-scale power hardware-in-the-loop simulation. The results confirm the advantages of the proposed strategies developed by the unified approach in the thesis.

Cette thèse analyse les challenges auxquels sont confrontés les composants électriques pour les systèmes de traction hybrides. L’analyse de ces composants et de leurs interactions en tant qu’entité indépendante est un sujet de recherche important afin de dimensionner de manière optimale le système au lieu de combiner des composants optimaux. Les véhicules hybrides sont un domaine de recherche qui suscite un grand intérêt parce qu’il s’agit d’une solution efficace à court terme afin de préparer la transition énergétique vers les véhicules à zéro émission. Malgré les avantages de cette solution, c’est un sujet de recherche complexe car les composants électriques doivent être intégrés dans un système de propulsion conventionnel. Ainsi le but de ce travail de recherche est axé sur la détermination de méthodes appropriées pour étudier les composants électriques et les contributions apportées par cette thèse visent à répondre à la problématique suivante : déterminer le niveau suffisant de détails pour modéliser les systèmes électriques pour les systèmes de traction pour véhicules hybrides afin d’identifier le dimensionnement idéal des composants pour différents systèmes pendant la phase de développement. Afin de résoudre cette problématique, ce rapport est divisé en quatre parties au sein de six chapitres. D’abord l’état de l’art des véhicules hybrides, des composants électriques ainsi que des méthodes d’optimisation associées sont présentés (chapitre 1). Ensuite, pour chaque composant (chapitre 2 à 4), des méthodes de modélisation appropriées sont déterminées afin de les modéliser mais aussi afin d’évaluer leur intégration dans le système de propulsion. Puis, une solution pour l’étude du système globale est déterminée à partir de l’analyse de travaux précédents (chapitre 5). Finalement, une approche d’optimisation est développée et permet d’analyser différents systèmes ainsi que l’influence de différents paramètres sur le dimensionnement (chapitre 6). Grâce à l’analyse du développement actuel et des travaux précédents sur le sujet ainsi qu’au développement d’outils de simulation, cette thèse étudie et analyse les relations entre le niveau de tension et de courant, et les performances du système dans différents cas. Les résultats permettent de déterminer l’influence de ces paramètres sur les composants ainsi que l’impact de l’environnement industriel sur les résultats. En tenant compte du cadre législatif actuel, les résultats convergent globalement tous dans la même direction : une réduction du niveau de tension, respectivement une augmentation du courant, entraine une amélioration du système global par rapport aux méthodes de dimensionnent actuelles. Ces observations sont liées à l’architecture, au cycle d’évaluation et à l’environnement considérés mais les méthodes et l’approche développée ont posé les bases pour étendre les connaissances dans le domaine de l’optimisation des véhicules hybrides. En plus de l’optimisation générale, des cas particuliers sont analysés afin de montrer la modularité des méthodes et l’influence de paramètres supplémentaires (système 48V ou convertisseur Boost). Afin de conclure, cette thèse a mis en place les bases pour l’étude des composants électriques pour les véhicules hybrides. De part un environnement fluctuant et les nombreuses technologies possibles, ce sujet suscite encore un grand intérêt et les points suivants peuvent être encore étudiés de manière plus détaillée : * Application des méthodes pour d’autres systèmes de propulsion (autre architectures hybrides, véhicule à pile à combustible ou tout électrique), * Étude de nouvelles technologies comme le carbure de silicium pour l’électronique de puissance, la machine à reluctance variable ou le sulfure de lithium pour les batteries, * Analyse d’autre cycle d’évaluation ainsi que leur cadre législatif, * Mise en place de structures additionnelles pour l’électronique de puissance, * Validations supplémentaires avec d’autres composants / This work analyses the challenges faced by the electric components for traction purpose in hybrid drivetrains. It investigates the components and their interactions as an independent entity in order to refine the scope of investigation and to find the best combinations of components instead of the best components combinations. Hybrid vehicle is currently a topic of high interest because it stands for a suitable short-term solution towards zero emission vehicle. Despite its advantages, it is a challenging topic because the components need to be integrated in a conventional drivetrain architecture. Therefore, the focus of this work is set on the determination of the right methods to investigate only the electric components for traction purpose. The aim and the contributions of this work lies thereby in the resolution of the following statement: Determine the sufficient level of details in modeling electric components at the system level and develop models and tools to perform dynamic simulations of these components and their interactions in a global system analysis to identify ideal designs of various drivetrain electric components during the design process. To address these challenges, this work is divided in four main parts within six chapters. First the current status of the hybrid vehicle, the electric components and the associated optimization methods and simulation are presented (first chapter). Then for each component, the right modeling approach is defined in order to investigate the electrical, mechanical and thermal behavior of the components as well as methods to evaluate their integration in the drivetrain (second to fourth chapter). After this, a suitable method is defined to evaluate the global system and to investigate the interactions between the components based on the review of relevant previous works (chapter five). Finally, the last chapter presents the optimization approach considered in this work and the results by analyzing different system and cases (chapter six). Thanks to the analysis of the current status, previous works and the development of the simulations tools, this work investigates the relationships between the voltage, the current and the power in different cases. The results enable, under the considered assumptions of the work, to determine the influence of these parameters on the components and of the industrial environment on the optimization results. Considering the current legislative frame, all the results converge toward the same observation referred to the reference systems: a reduction of the voltage and an increase of the current leads to an improvement of the integration and the performance of the system. These observations are linked with the considered architecture, driving cycle and development environment but the developed methods and approaches have set the basis to extend the knowledge for the optimization of the electric system for traction purpose. Beside the main optimization, special cases are investigated to show the influence of additional parameters (increase of the power, 48V-system, machine technology, boost-converter…) In order to conclude, this work have set the basis for further investigations about the electric components for traction purpose in more electrified vehicle. Due to the constantly changing environment, the new technologies and the various legislative frame, this topic remains of high interest and the following challenges still need to be deeper investigated: * Application of the methods for other drivetrain architecture (series hybrid, power-split hybrid, fuel-cell vehicle, full electric vehicle), * Investigation of new technologies such as silicon-carbide for the power electronics, lithium–sulfur battery or switch reluctance machine, * Investigation of other driving cycle, legislative frame, * Integration of additional power electronics structure, * Further validation of the modeling approaches with additional components

Les véhicules routiers sont à une étape majeure de leur histoire. Face aux enjeux actuels d’ordre économiques et environnementaux, le véhicule routier du futur se doit d’être le moins énergivore et avoir une empreinte environnementale la plus réduite possible. Les véhicules multi sources représentent des solutions intéressantes afin de répondre à ces préoccupations. Cependant, ces véhicules utilisent des systèmes de propulsion particulièrement complexes tant au niveau de leur architecture que de leur commande. En particulier, la gestion des différentes sources d’énergie représente un point clé pour l’efficacité énergétique et environnementale des véhicules à concevoir. Elle devient un réel challenge dès que l’on dépasse le nombre usuel de deux sources comme dans le cas des véhicules hybrides actuels et des véhicules électriques mixtes (batterie et supercondensateurs). L’objectif des travaux relatifs à cette thèse est de proposer une méthodologie structurée pour la synthèse de la gestion d’énergie en temps réel, de véhicules multi-sources électriques ou hybrides. Cette démarche s’appuie sur une approche systémique utilisant la modélisation et la Représentation Energétique Macroscopique (REM) en tant qu’outil d’aide à la synthèse des modèles et de la commande associée. Une démarche systématique pour la synthèse des stratégies basées sur la commande optimale a été ensuite associée à cet ensemble profitant de la REM comme outil structurant. En effet, la REM respectant la causalité « physique » (causalité intégrale) d’une part, et permettant d’effectuer une distinction claire entre la commande dite « locale » et le niveau « stratégie » d’autre part, la formulation du problème de commande optimale est réalisée de manière efficace et structurée. Ainsi, en partant du cas du véhicule électrique avec un système multi-source batterie/supercondensateurs déjà étudiée dans la littérature, la méthode a été appliquée pour la synthèse d’une loi de gestion d’énergie basée sur la commande optimale. Ensuite, des sources ont été rajoutées pour passer au cas de trois sources en incluant une Pile à combustible puis quatre sources en rajoutant un groupe électrogène. Les principes développés sont validés par simulation et par l’intermédiaire de tests expérimentaux, afin de s’assurer entre autres, de la faisabilité en temps réel des stratégies développées. / Road vehicles are at a turning point of their history. In order to face economic and environmental challenges, road vehicle of the future must be less energy-consuming and less polluting. Multi sources vehicles represent interesting solutions in order to comply with these challenges. However, these vehicles use particularly complex propulsion systems, both on the architecture level and the control level. The management of the different energy sources represents a key issue for the energy efficiency of the vehicles to be designed. It becomes a real challenge as soon as one exceeds the usual number of two sources, as in current hybrid vehicles and mixed electric vehicles (battery and supercapacitors). The objective of the works relative to this thesis is to propose a structured method for the synthesis the energy management in real time, of electric or hybrid multi-sources vehicles. This approach is based on a systemic approach using the modeling and Energetic Macroscopic Representation (EMR) as a tool of assistance to the synthesis of the models and the related control. A systematic way for the synthesis of the strategies based on optimal control, has been associated benefitting from EMR tool. Indeed, EMR respecting “physical” causality (integral causality) on the one hand, and giving a clear distinction between the control level known as “local” and the “strategy” level on the other hand, the formulation of the optimal control problem is carried out and efficiently structured. Thus, on the basis of the electric vehicle case with a multi-source system battery/supercapacitors already studied in the literature, the method was applied for the synthesis of an energy management law based on the optimal control. Then, sources were added to pass to the case of three sources by including a Fuel cell, then four sources by adding a generator set. The developed principles are validated by simulation and experimental tests, in order to assess the feasibility in real time of the developed strategies.

Αυτή η διπλωματική εργασία παραθέτει όλα τα στοιχεία που χρειάζονται για την εξέλιξη ενός συμβατικού κινητήρα εσωτερικής καύσης σε υβριδικό κινητήρα καύσης υδρογόνου. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία ενός συμβατικού βενζινοκινητήρα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι ιδιότητες του υδρογόνου και η λειτουργία ενός ηλεκτρικού υβριδικού οχήματος και η τοπολογία που θα χρησιμοποιηθεί στην μοντελοποίηση. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται τα επιμέρους στοιχεία που πρέπει να μεταβληθούν σε έναν βενζινοκινητήρα για να γίνει καύσης υδρογόνου. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται το μοντέλο του υβριδικού κινητήρα σε Simulink και εξηγείται η λειτουργία του. / This diploma thesis indicates all the structural elements that are needed for the development of a conventional internal combustion engine into a hybrid electric vehicle with a hydrogen combustion engine.The second chapter is about description and main functions of a conventional gasoline engine.In the third chapter are discribed the properties of hydrogen for use in a combustion engine, the main function of a hybrid electric vehicle and the structure that will be used into the modelling.In the forth chapter are analysed the further structural elements that have to be changed in an internal combustion engine in order to be fueled with hydrogen.Finally in the fifth chapter a model of a hybrid electric vehicle with a hydrogen combustion engine in Simulink is described and the main functions of it are described along with certain results.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη και η υλοποίηση στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας για τη βελτιωμένη οικονομική λειτουργία υβριδικού οχήματος με χρήση ψηφιακού μικροελεγκτή. Η προτεινόμενη στρατηγική, η οποία βασίζει τη λειτουργία της στην αρχή της ασαφούς λογικής αναπτύχθηκε και αρχικά δοκιμάστηκε, χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα Matlab/Simulink. Για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του συνολικού συστήματος αποτελούμενου από το ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα, τη μηχανή εσωτερικής καύσης και το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας, δημιουργήθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο ενός υβριδικού οχήματος παράλληλης διάταξης, επίσης στο περιβάλλον Simulink,στο οποίο η διαχείριση της ενέργειας γίνεται μέσω του ανεπτυχθέντος ασαφούς ελεγκτή. Στόχος ήταν να ελεγχθεί η συμπεριφορά του ελεγκτή αυτού. Τέλος, κατασκευάστηκε το κύκλωμα υλοποίησης του ασαφούς ελεγκτή, χρησιμοποιώντας τον ψηφιακό μικροελεγκτή dsPIC30f4011 της εταιρίας Microchip. Για την υλοποίηση της λειτουργίας του ελεγκτή, αναπτύχθηκε ο αντίστοιχος κώδικας σε γλώσσα C, η λειτουργία του οποίου επιβεβαιώθηκε πειραματικά. / The objective of this master thesis was the study and the implementation of an energy management strategy, aiming for improved economic operation of hybrid vehicle using a digital microcontroller. The proposed strategy, based on the principles of fuzzy logic, was developed and initially tested using the environment Matlab/Simulink. To ascertain the correct operation of the system constituted by the electric motive system, the internal combustion machine and the energy management system, a mathematic model of hybrid vehicle of parallel provision was also created in Simulink. The energy management is implemented by the fuzzy controller. The main objective was to test the behavior of this controller. Finally, the electronic circuit of the fuzzy controller was manufactured. The digital microcontroller dsPIC30f4011 (Microchip company) was used. For the implementation of the operation of the controller, the corresponding code was developed in C language, the operation of which was experimentally confirmed.

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. / 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.