Les préoccupations environnementales croissantes et la raréfaction des énergies fossiles amènent les constructeurs automobiles à proposer des véhicules efficients hybridant des chaînes de traction conventionnelles. Ces travaux de recherche sont focalisés sur l'hybridation thermique/électrique. Ils présentent une méthodologie de conception optimale pour identifier des voies de progrès et orienter la définition de futures chaînes de traction à haut rendement énergétique. Ils sont basés sur une démarche d'ingénierie systémique qui s'appuie sur trois principaux leviers: l'architecture de la chaîne de traction, la stratégie de gestion énergétique et la définition des organes électriques de puissance. Différentes architectures de chaînes de traction hybrides électriques sont comparées en se basant sur la consommation minimale atteignable par chacune d'entre elles sur cycles automobiles. Pour déterminer ces seuils de consommation, une stratégie de commande optimale basée sur un algorithme de programmation dynamique est développée. Les résultats montrent l'intérêt de l'hybridation parallèle pour concevoir une chaîne de traction efficiente.Les sollicitations des organes électriques de puissance sont déterminées et analysées pour en spécifier le dimensionnement optimal. Deux structures de machines électriques ont été modélisées par réseaux de réluctances pour établir des cartographies de pertes et comparer la performance en émissions de CO2 du véhicule. Cette approche permet d'identifier des axes d'améliorations et on montre qu'une solution de type alterno-démarreur permettrait des gains d'environ 33% en émissions de CO2 par rapport au véhicule conventionnel. / On-going oil stock depletion and growing environmental concerns lead automakers to develop more efficient powertrains. Today, one of the most promising way forward consists in research on hybrid systems. The present work is focused on thermal/electric hybridization for HEV vehicle and presents an optimal methodology to identify key guidelines and design efficient systems. Defining the most promising efficient powertrain requires a systemic design which is based in this study on three main levers : powertrain architecture, energy management and electric components design. Different powertrains architectures are compared to the lowest fuel consumption that can be reached by each powertrain for a given driving cycle. Their optimal energetic performances are determined by using optimal control strategies and dynamic programming. The simulations results show that the most promising hybrid powertrain is the parallel one. At each step of time of the drivings cycles, the parallel hybrid powertrain behavior is more closely analyzed so as to provide technical specifications for an optimal sizing of the electric components. It points out the operating point and the driving cycles for which the electric machine has to be optimized. Two electric machines topologies derived from a starter-alternator architecture, are modeled by using reluctance network to provide losses map and compare CO2 saving of the vehicle. This approach has both identified areas for powertrain architecture improvement and components design optimization to achieve a better global efficiency of the system. It is shown that a starter-alternator could provide 33% of CO2 saving compared to a conventional car.

Ce travail présente une démarche méthodologique visant le " traitement de profils " de " mission " et plus généralement de " variables environnementales " (mission, gisement, conditions aux limites), démarche constituant la phase amont essentielle d‟un processus de conception systémique. La " classification " et la " synthèse " des profils relatifs aux variables d‟environnement du système constituent en effet une première étape inévitable permettant de garantir, dans une large mesure, la qualité du dispositif conçu et ce à condition de se baser sur des " indicateurs " pertinents au sens des critères et contraintes de conception. Cette approche s‟inscrit donc comme un outil d‟aide à la décision dans un contexte de conception systémique. Nous mettons en particulier l‟accent dans cette thèse sur l‟apport de notre approche dans le contexte de la conception par optimisation qui, nécessitant un grand nombre d‟itérations (évaluation de solutions de conception), exige l‟utilisation de " profils compacts " au niveau informationnel (temps, fréquence,...). Nous proposons dans une première phase d‟étude, une démarche de " classification " et de " segmentation " des profils basée sur des critères de partitionnement. Cette étape permet de guider le concepteur vers le choix du nombre de dispositifs à concevoir pour sectionner les produits créés dans une gamme. Dans une deuxième phase d‟étude, nous proposons un processus de " synthèse de profil compact ", représentatif des données relatives aux variables environnementales étudiées et dont les indicateurs de caractérisation correspondent aux caractéristiques de référence des données réelles. Ce signal de durée réduite est obtenu par la résolution d‟un problème inverse à l‟aide d‟un algorithme évolutionnaire en agrégeant des motifs élémentaires paramétrés (sinusoïde, segments, sinus cardinaux). Ce processus de " synthèse compacte " est appliqué ensuite sur des exemples de profils de missions ferroviaires puis sur des gisements éoliens (vitesse du vent) associés à la conception de chaînes éoliennes. Nous prouvons enfin que la démarche de synthèse de profil représentatif et compact accroît notablement l'efficacité de l‟optimisation en minimisant le coût de calcul facilitant dès lors une approche de conception par optimisation.

Les systèmes énergétiques désignent une classe de systèmes dont les spécificités structurelles et fonctionnelles posent la question de la distribution de l’énergie, en temps réel, pour satisfaire des services. Cette problématique multi-objectifs, nommée énergétique, a pour solution une stratégie de gestion,dont la conception représente un problème ouvert. Les verrous étudiés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’un partenariat industriel et en particulier celui des démarches de conception systémique. Trois contributions sont apportées. La première est une méthodologie de conception modulaire et générique de la stratégie énergétique, pour les systèmes multi-clients et multi-sources. Elle définit deux types d’éléments fonctionnels : les clients et les sources, interagissant par le biais d’un nœud, porteur de la stratégie. La seconde traite la simplification de la stratégie par une décomposition selon deux problématiques déjà connues de la littérature : l’hybridation de sources et la concurrence de clients. La troisième porte sur la sélection d’algorithmes novateurs ou existants, compatibles avec une cible temps réel, pour exécuter la stratégie. Enfin, la stratégie énergétique d’un camion frigorifique disposant d’une architecture énergétique hybride série est conçue par notre approche modulaire, et la faisabilité algorithmique est validée en simulation. / The energy systems describe a class of systems whose from structural and functional characteristics raise the problem of the energy distribution to satisfy the services in real time. The solution of this multi-objectives problem, namely energetic, is the energy management strategy, whose design is still an open problem. The solutions studied in this thesis are incorporated in the framework of an industrial partnership and particularly in those systemic design approaches. The first contribution is a methodology of modular and generic design of the energy management strategy, for the multi- clients and multi-sources systems. It defines two types of functional elements: the clients and the sources, interacting through a node, which is the carrier of thestrategy. The second contribution deals with thegeneric formulation of the strategy and itssimplification by means of decomposition in accordance with two problems: the hybridization of sources and the competition of clients, which a real ready known in the literature. The third contribution is partial to the selection of innovative or existing algorithms, which are compatible with a real-time target to execute the strategy. Finally, the energy strategy of a refrigerated truck with a hybrid energy architecture is designed by the proposed modular approach, and the algorithm feasibility is validated by the simulation.

Ce travail présente une démarche méthodologique visant le «traitement de profils» de «mission» et plus généralement de «variables environnementales» (mission, gisement, conditions aux limites), démarche constituant la phase amont essentielle d’un processus de conception systémique. La «classification» et la «synthèse» des profils relatifs aux variables d’environnement du système constituent en effet une première étape inévitable permettant de garantir, dans une large mesure, la qualité du dispositif conçu et ce à condition de se baser sur des «indicateurs» pertinents au sens des critères et contraintes de conception. Cette approche s’inscrit donc comme un outil d’aide à la décision dans un contexte de conception systémique. Nous mettons en particulier l’accent dans cette thèse sur l’apport de notre approche dans le contexte de la conception par optimisation qui, nécessitant un grand nombre d’itérations (évaluation de solutions de conception), exige l’utilisation de «profils compacts» au niveau informationnel (temps, fréquence,…). Nous proposons dans une première phase d’étude, une démarche de «classification» et de «segmentation» des profils basée sur des critères de partitionnement. Cette étape permet de guider le concepteur vers le choix du nombre de dispositifs à concevoir pour sectionner les produits créés dans une gamme. Dans une deuxième phase d’étude, nous proposons un processus de «synthèse de profil compact», représentatif des données relatives aux variables environnementales étudiées et dont les indicateurs de caractérisation correspondent aux caractéristiques de référence des données réelles. Ce signal de durée réduite est obtenu par la résolution d’un problème inverse à l’aide d’un algorithme évolutionnaire en agrégeant des motifs élémentaires paramétrés (sinusoïde, segments, sinus cardinaux). Ce processus de «synthèse compacte» est appliqué ensuite sur des exemples de profils de missions ferroviaires puis sur des gisements éoliens (vitesse du vent) associés à la conception de chaînes éoliennes. Nous prouvons enfin que la démarche de synthèse de profil représentatif et compact accroît notablement l’efficacité de l’optimisation en minimisant le coût de calcul facilitant dès lors une approche de conception par optimisation. / This work presents a methodological approach aiming at analyzing and processing mission profiles and more generally environmental variables (e.g. solar or wind energy potential, temperature, boundary conditions) in the context of system design. This process constitutes a key issue in order to ensure system effectiveness with regards to design constraints and objectives. In this thesis, we pay a particular attention on the use of compact profiles for environmental variables in the frame of system level integrated optimal design, which requires a wide number of system simulations. In a first part, we propose a clustering approach based on partition criteria with the aim of analyzing mission profiles. This phase can help designers to identify different system configurations in compliance with the corresponding clusters: it may guide suppliers towards “market segmentation” not only fulfilling economic constraints but also technical design objectives. The second stage of the study proposes a synthesis process of a compact profile which represents the corresponding data of the studied environmental variable. This compact profile is generated by combining parameters and number of elementary patterns (segment, sine or cardinal sine) with regards to design indicators. These latter are established with respect to the main objectives and constraints associated to the designed system. All pattern parameters are obtained by solving the corresponding inverse problem with evolutionary algorithms. Finally, this synthesis process is applied to two different case studies. The first consists in the simplification of wind data issued from measurements in two geographic sites of Guadeloupe and Tunisia. The second case deals with the reduction of a set of railway mission profiles relative to a hybrid locomotive devoted to shunting and switching missions. It is shown from those examples that our approach leads to a wide reduction of the profiles associated with environmental variables which allows a significant decrease of the computational time in the context of an integrated optimal design process.

Dans le domaine de la conception d’Interfaces Homme-Système (IHS), un des concepts clés est celui de la Conception Centrée Utilisateurs (CCU), qui place les utilisateurs au centre de la démarche. Bien que cette démarche constitue une avancée considérable pour proposer des solutions qui répondent aux besoins et aux attentes des utilisateurs finaux, elle n’est pas totalement adaptée lorsque ces derniers présentent des déficiences multiples. Egalement, malgré les bénéfices de la CCU, il est constaté que les concepteurs demeurent peu nombreux à appliquer cette démarche, l’utilisation d’approches plus classiques restant encore dominante. Les concepteurs sont peu sensibilisés à la prise en compte des utilisateurs finaux, encore moins lorsque ceux-ci présentent des déficiences.Face à ces constats, notre travail s’est articulé selon deux axes réalisés en parallèle. Nous avons élaboré et formalisé une méthode de conception systémique d’IHS : AMICAS (Approche Méthodologique Innovante de Conception Adaptée Systémique), afin de permettre la conception d’outils et services adaptés aux utilisateurs finaux, quelles que soient leurs spécificités. Cette méthode a été testée auprès d’enfants en situation de multihandicap dans un contexte scolaire et de personnes âgées en institution. En parallèle, nous avons élaboré un système d’aide à la décision, à destination des concepteurs d’IHS, afin de les sensibiliser à la prise en compte des utilisateurs finaux et de leurs déficiences dans les démarches de conception. Au regard des résultats obtenus, nous proposons en synthèse une version améliorée de la méthode de conception AMICAS et une mise en ligne de notre système d’aide. / In the field of Human-System Interface (HSI) design, one key concept is the User-Centred Design (UCD), an approach that considers the user as the centre of the design process. Although this approach is a significant advance to provide solutions that meets the needs and expectations of end-users, it is not totally suitable for end-users with multiple disabilities. Moreover, despite the benefits of the UCD, only few designers apply this approach. The use of standard approaches remains dominant. There is a general lack of awareness among designers on how take account of end-users, even less when the end-users have multiples disabilities.In view of these observations, our work has been structured to two main axes, conducted in parallel. We have elaborated and formalized design method of HSI, named AMICAS (Innovative Methodological Approach of Adapted Systemic Design), in order to design tools or services adapted for users, whatever their disabilities are. This method has been tested to children with multiple disabilities in educational context and with elderly in care homes. Also, we have developed a decision support tool. The purpose of this tool is to help designers to take into account end-users and their disabilities into the design stage. Based on the results, we suggest in synthesizing an improved version of AMICAS and we have published the decision support tool online.

Cette étude s’intéresse à la conception systémique intégrant simultanément les questions de dimensionnement et de gestion optimale de l'énergie. Le système étudié concerne un procédé de pompage intégrant un processus de dessalement d’eaux saumâtres alimenté par des sources de puissance hybrides renouvelable incluant un minimum de stockage électrochimique. Ce cas d’étude appartient à une classe typique de systèmes autonomes alimentés par des sources intermittentes dont profil de puissance a une forme "donnée" : « selon les conditions climatiques (ensoleillement, vent), avec un minimum de stockage d’électricité, la puissance offerte doit être convertie ou stockée hydrauliquement sous peine d’être gaspillée ». L'influence des conditions d'environnement et la robustesse du processus d’optimisation est enfin aussi discutée dans cette thèse. Deux types de modèles mathématiques, dynamiques et quasi-statiques, sont mis en œuvre pour décrire l'ensemble du dispositif. Le système est tout d’abord modélisé dynamiquement par Bond Graphs. Pour une simulation plus rapide, plus adaptée à l’optimisation globale du système, un modèle quasi-statique est créé pour être simulé dans l'environnement Matlab. Pour de tels dispositifs, étant donné une certaine puissance offerte au fil du vent et du soleil, trouver le point optimal de fonctionnement à chaque période consiste en un partage de puissance entre les sous systèmes de pompage et de traitement de l’eau : ce processus est plutôt complexe compte tenu des non linéarités (courbes rendement – puissance) et de la présence de nombreuses contraintes relatives aux limitations de puissance des pompes, aux conditions de niveau des réservoirs, ainsi qu’aux limitations de pression et de débit dans les processus hydrauliques (pompes osmoseur). Nous montrerons qu’il n’est pas si trivial de choisir une fonction objectif qui assure simultanément la performance et la robuste du système vis-à-vis des conditions d’environnement : une fonction objectif robuste quel que soit le profil de puissance des sources est ainsi proposée pour mettre en œuvre une gestion optimale de l’énergie. Le problème d’optimisation étant posé sous forme standard, consistant en la maximisation d’une fonction objectif sous contraintes, des approches d’optimisation efficaces par programmation non linéaire sont employées. La question du dimensionnement et son couplage à la gestion énergétique est finalement étudiée. En particulier, l’intérêt de la modularité des systèmes, considérant plusieurs pompes connectées en parallèle pour la même fonction, est investigué. / This study focuses on systemic design, integrating simultaneously issues of sizing and optimal energy management. The system under study consists of a pumping process including a brackish water desalination system fed by hybrid renewable power sources with minimum electrochemical storage. Such a device belongs to the class of “autonomous systems” supplied by intermittent sources whose power profile has a “given” waveform: “with minimum electrical storage, power has to be converted, stored in water tanks, or wasted following climatic (sun, wind) conditions”. Influence of environment conditions and robustness of the optimization process is then also discussed in this thesis. Both dynamic and quasi static models are implemented for representing the whole system. The device is firstly modeled dynamically by Bond Graph methodology. For faster simulations, which are more suitable for system optimization, a quasi static model is created to be simulated in the Matlab environment. For such systems, given a certain source power, finding optimal operation point at each period consists of a power sharing between all pumping devices: it is a complex process with huge nonlinearities (efficiency vs power curves) and with many constraints as for the limitation of pump powers, tank level conditions, or pressure and flow limitations in hydraulic network and pumping devices. It is not so trivial to define an objective function which ensures system performance and robustness versus environment conditions: a convenient objective function, whatever the input power profile, is then proposed to implement the optimal management. The optimization problem being mathematically expressed, consisting of objective function maximization under constraints, efficient optimization methods by non linear programming are implemented. The issue of sizing and its coupling with system management efficiency is finally studied. In particular, the interest of modular operation with several pumps connected in parallel is also concerned in this research.