La conception d'un système électrique de transport ferroviaire est une tâche complexe qui fait appel simultanément à des experts de domaines de compétence différents. Les constructeurs ferroviaires gèrent cette complexité ce qui leurs permet de fabriquer des équipements performants. Néanmoins, dans un marché global, tout gain méthodologique peut se traduire en avantage concurrentiel.<br /><br />La conception systémique optimale de composant électrotechnique est abordée dans cette thèse. Une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple représentatif d'un système complexe. La démarche et les outils sont mis en œuvre sur deux applications: la conception d'un moteur de traction et la conception simultanée de plusieurs composants clés.<br /><br />Pour concevoir un moteur de traction, le cycle de fonctionnement et le comportement thermique transitoire sont primordiaux. La bonne adaptation du moteur à sa mission permet de réduire considérablement sa masse. L'approche multidisciplinaire est utilisée pour gérer les interactions entre modèles de disciplines différentes au sein d'un même processus d'optimisation. Suivant la méthode employée, le temps d'optimisation peut être réduit grâce à la répartition des taches par domaine physique et d'en paralléliser l'exécution. Des optimisations multiobjectif ont également été appliquées. Des fronts de Pareto sont obtenus malgré l'utilisation d'un modèle précis mais coûteux, le modèle éléments finis.<br /><br />L'approche décomposition hiérarchique de la méthode "Target Cascading" est appliquée au problème de conception de la chaîne de traction. Le système et ses composants sont conjointement conçus. Cette méthode est bien adaptée à la démarche de conception optimale des systèmes complexes, tout en respectant l'organisation par produit de l'entreprise.

La conception d'un système électrique est une tâche très complexe qui relève d'expertises dans différents domaines de compétence. Dans un contexte compétitif où l'avance technologique est un facteur déterminant, l'industrie cherche à réduire les temps d'étude et à fiabiliser les solutions trouvées par une approche méthodologique rigoureuse fournissant une solution optimale systémique.Il est alors nécessaire de construire des modèles et de mettre au point des méthodes d'optimisation compatibles avec ces préoccupations. En effet, l'optimisation unitaire de sous-systèmes sans prendre en compte les interactions ne permet pas d'obtenir un système optimal. Plus le système est complexe plus le travail est difficile et le temps de développement est important car il est difficile pour le concepteur d'appréhender le système dans toute sa globalité. Il est donc nécessaire d'intégrer la conception des composants dans une démarche systémique et globale qui prenne en compte à la fois les spécificités d'un composant et ses relations avec le système qui l'emploie.Analytical Target Cascading est une méthode d'optimisation multi niveaux de systèmes complexes. Cette approche hiérarchique consiste à décomposer un système complexe en sous-systèmes, jusqu'au niveau composant dont la conception relève d'algorithmes d'optimisation classiques. La solution optimale est alors trouvée par une technique de coordination qui assure la cohérence de tous les sous-systèmes. Une première partie est consacrée à l'optimisation de composants électriques. L'optimisation multi niveaux de systèmes complexes est étudiée dans la deuxième partie où une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques.

Les éléments constituant la chaîne de traction sont le plus souvent dissociés et indépendants entre eux (pack de batteries, convertisseur de traction et moteur). L'utilisation des convertisseurs en cascade en tant que convertisseurs de traction a été le coeur de ces travaux de thèse. Les performances énergétiques des convertisseurs en cascade et de l'onduleur de tension classique ont été comparées sur un cycle de conduite normalisé pour différentes configurations sur les convertisseurs de puissance (niveaux de tension mis en jeu dans la chaîne de traction, variation du nombre d'onduleurs connectés en série pour les convertisseurs en cascade et variation du nombre de semi-conducteurs en parallèle pour réaliser la fonction des interrupteurs de puissance dans les convertisseurs). D'autres convertisseurs d'électronique de puissance sont nécessaires pour le bon fonctionnement d'un véhicule électrique. L'un de ces convertisseurs est le chargeur de batteries qui puise l'énergie du réseau électrique pour venir recharger les batteries du véhicule. Un autre est le système de monitoring des batteries qui permet d'assurer un équilibrage et un état de charge uniforme entre les différentes cellules qui composent le pack de batteries du véhicule. Dans une optique de mutualisation de fonction du convertisseur de puissance, les convertisseurs en cascade ont été étudiés pour assurer les fonctions de charge et d'équilibrage lorsque la traction du véhicule n'est pas utilisée.

Dans le contexte automobile actuel de réduction des émissions de CO2, une réponse semble être apportée par le véhicule électrique. De nombreuses questions se posent alors, notamment concernant l'autonomie, d'autant plus que le nombre de consommateurs électriques dans les véhicules est en constante augmentation. Il est nécessaire de concevoir un groupe-motopropulseur électrique alliant autonomie et performances en considérant les contraintes de coût auxquelles est confronté tout constructeur.Concernant les outils de conception, très nombreux sont les constructeurs qui s'orientent vers d'autres solutions que la réalisation de prototypes en faisant appel à la simulation numérique dès le début du cycle en V pour optimiser leur prédimensionnement et assurer un gain non négligeable sur les délais et les coûts. Les travaux de thèse s'articulent ainsi autour de deux axes. Une première étape consiste à modéliser le réseau électrique automobile (chaîne de traction, système de confort thermique et réseau 14V) afin de simuler son fonctionnement en régime dynamique. L'aspect dynamique est important : des cartographies de pertes ne peuvent suffire si nous nous intéressons aux performances du véhicule en termes d'accélérations. D'autre part, l'autonomie est impactée de façon non négligeable par cet aspect dynamique.Dans une seconde étape, nous procéderons à l'optimisation du système de puissance. Les critères qui nous intéressent, autonomie et performances, sont antagonistes, ce qui donne lieu à la recherche de " meilleurs " compromis. Nous distinguons l'optimisation des lois de pilotage des organes de l'optimisation de l'architecture, les deux étant menées séquentiellement.

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre

Dans le contexte automobile actuel de réduction des émissions de CO2, une réponse semble être apportée par le véhicule électrique. De nombreuses questions se posent alors, notamment concernant l’autonomie, d’autant plus que le nombre de consommateurs électriques dans les véhicules est en constante augmentation. Il est nécessaire de concevoir un groupe-motopropulseur électrique alliant autonomie et performances en considérant les contraintes de coût auxquelles est confronté tout constructeur.Concernant les outils de conception, très nombreux sont les constructeurs qui s’orientent vers d’autres solutions que la réalisation de prototypes en faisant appel à la simulation numérique dès le début du cycle en V pour optimiser leur prédimensionnement et assurer un gain non négligeable sur les délais et les coûts. Les travaux de thèse s’articulent ainsi autour de deux axes. Une première étape consiste à modéliser le réseau électrique automobile (chaîne de traction, système de confort thermique et réseau 14V) afin de simuler son fonctionnement en régime dynamique. L’aspect dynamique est important : des cartographies de pertes ne peuvent suffire si nous nous intéressons aux performances du véhicule en termes d’accélérations. D’autre part, l’autonomie est impactée de façon non négligeable par cet aspect dynamique.Dans une seconde étape, nous procéderons à l’optimisation du système de puissance. Les critères qui nous intéressent, autonomie et performances, sont antagonistes, ce qui donne lieu à la recherche de « meilleurs » compromis. Nous distinguons l’optimisation des lois de pilotage des organes de l’optimisation de l’architecture, les deux étant menées séquentiellement. / In the current automobile trend of global CO2 emissions reduction, the electric vehicle seems to be one of the most effective solutions. It is a new technology and, consequently, many questions appear, in particular concerning the range impacted by the constant increase of the number of electric loads embedded in vehicles. It is necessary to design an electric powertain allying sufficient range and good performances and respecting cost constraints, which is a determining criterion for every car manufacturer. Concerning conception tools, many car manufacturers turn to other solutions that only physical prototypes realization by using numerical simulation from the beginning of the V-cycle in order to optimize powertrain presizing and ensure a significant costs and delays reduction.The thesis works are based on two axes.The first part consists in modeling the power system of electric vehicle (powertrain, air-conditioning, heating system and 14V network) in order to simulate the global system behavior in transient state. The dynamic aspect is important: for example, losses maps cannot be used if we are interested in vehicle performances in terms of accelerations. Moreover, as that will be shown, the vehicle range is impacted in a significant way by the dynamic phenomena. The models are validated by comparison with tests results.In a second part, we proceed to electric power system optimization. The criteria that interest us namely range and performances are conflicting, what gives rise in search of "best" compromises. It is necessary to distinguish control laws optimization from architecture optimization, both being led sequentially.

Avec l'apparition des différentes normes et règlementations telles que les normes ISO 14001, les préoccupations industrielles y compris ferroviaires sont de plus en plus orientés vers l'éco-conception. La problématique la plus importante dans l'éco-conception des produits ferroviaires est de réduire leurs impacts environnementaux tout en maintenant leurs performances fonctionnelles et en maitrisant le coût. La solution pour surmonter ce problème est de trouver un ensemble de compromis entre les deux objectifs (impacts et coût).L'éco-conception des produits ferroviaires présentent plusieurs difficultés parce que, d'une part, leur analyse de cycle de vie est très lourde. D'autre part, l'intégration de leurs impacts dans la phase de conception est délicate vu leur nombre. Enfin, ces composants ont parfois différents types de modèles à exploiter car ils présentent des compromis entre la précision et le temps de calcul. Pour surmonter ces problèmes nous avons présenté dans cette thèse une méthode qui consiste premièrement, à alléger l'ACV à l'aide d'un logiciel de gestion environnementale et d'en profiter pour construire un modèle malléable pour calculer les différents impacts. Deuxièmement, à agréger ces impacts pour obtenir un seul indice qui sera considéré comme notre critère environnemental. Pour exploiter les outils d'optimisation, le problème d'éco-conception est traduit par un problème d'optimisation. Les algorithmes d'optimisation sont capables de trouver l'ensemble de compromis optimaux entre le critère environnemental et la masse (coût) sous forme d'un graphe appelé front de Pareto. Certains algorithmes ont été adaptés pour mieux servir dans l'éco-conception

Avec l’apparition des différentes normes et règlementations telles que les normes ISO 14001, les préoccupations industrielles y compris ferroviaires sont de plus en plus orientés vers l’éco-conception. La problématique la plus importante dans l’éco-conception des produits ferroviaires est de réduire leurs impacts environnementaux tout en maintenant leurs performances fonctionnelles et en maitrisant le coût. La solution pour surmonter ce problème est de trouver un ensemble de compromis entre les deux objectifs (impacts et coût).L’éco-conception des produits ferroviaires présentent plusieurs difficultés parce que, d’une part, leur analyse de cycle de vie est très lourde. D’autre part, l’intégration de leurs impacts dans la phase de conception est délicate vu leur nombre. Enfin, ces composants ont parfois différents types de modèles à exploiter car ils présentent des compromis entre la précision et le temps de calcul. Pour surmonter ces problèmes nous avons présenté dans cette thèse une méthode qui consiste premièrement, à alléger l’ACV à l’aide d’un logiciel de gestion environnementale et d’en profiter pour construire un modèle malléable pour calculer les différents impacts. Deuxièmement, à agréger ces impacts pour obtenir un seul indice qui sera considéré comme notre critère environnemental. Pour exploiter les outils d’optimisation, le problème d’éco-conception est traduit par un problème d’optimisation. Les algorithmes d’optimisation sont capables de trouver l’ensemble de compromis optimaux entre le critère environnemental et la masse (coût) sous forme d’un graphe appelé front de Pareto. Certains algorithmes ont été adaptés pour mieux servir dans l’éco-conception / With the introduction of different environmental standards like ISO 14001, concerns of manufacturers in railway industry are more and more oriented to the design of green products. One important issue when designing such products is the control of the cost impact and the evaluation of the price which consumers agree to pay for a reduced environmental footprint.Eco-design of railway train presents several challenges for the designer. The first one is the complexity of the life cycle analysis of such components. The second challenge is the necessity of consideration of several environmental impacts in design stage given the number of impacts. Finally, railway components have different models with different granularity which can be used in the process of eco-design. To overcome these problems we propose in this work a method which involves two steps. The first one is to simplify the LCA of the railway train using environmental management software and take the opportunity to build a malleable model to calculate eleven impacts. The second step, is to aggregate these impacts for a single indicator which is considered later as environmental criterion in the eco-design process. In order to investigate optimization tools, the eco-design problem is expressed into an optimization problem. Optimization algorithms are able to solve this problem and to find the optimal set of compromises between environmental criterion and the cost of the railway product. The set of compromises is given as a graph called the Pareto front. In our work the cost is expressed by the mass of the component and some optimization algorithms have been adapted in this work to serve in the process of eco-design

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre / This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter