Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011. / Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source. Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable source becomes insufficient. In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2 battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011) and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and TENERRDIS clusters. First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use both storage in the best conditions, limiting their losses and aging. Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of 2011.

Cette thèse s'intéresse à l'architecture et à la commande des sources hybrides d'énergie électrique dont la source principale est une pile à combustible et la source auxiliaire un banc de supercondensateurs. Parmi les différentes architectures électroniques de puissance envisageables le choix s'est porté sur un convertisseur isolé multiport réalisé à partir d'un transformateur multienroulement. Chaque élément de ce dispositif (pile à combustible, supercapacités, charge) est connecté à un enroulement par un onduleur de tension. Le contrôle des échanges d'énergie s'effectue par le déphasage entre les ondes de tension délivrées par les onduleurs. L'utilisation de convertisseurs et d'un mode de commande identiques sur chaque port assure le caractère modulaire de l'ensemble. Le modèle du transformateur est établi pour N enroulements. Il est de type polygone ce qui simplifie le calcul des échanges d'énergie entre les ports. Deux méthodes de contrôle de l'ensemble du dispositif sont présentées. La première, classique, utilise un régulateur linéaire pour contrôler la puissance fournie par la pile et la tension de sortie est contrôlée via l'énergie électrostatique stockée dans la capacité de sortie. La limitation de la variation du courant délivré par la pile à combustible est effectuée en limitant la variation de la puissance d'entrée. La deuxième est basée sur le concept de platitude, les variables plates étant l'énergie stockée dans les capacités et les variables de commande les puissances échangées entre la pile et les autres ports. On a déterminé la trajectoire des sortie plates en respectant les différentes contraintes, à savoir la limitation des variation du courant délivré par la pile et la puissance maximale qu'elle délivre ainsi que le courant de charge de la capacité de sortie lors du démarrage. Dans les deux cas, les méthodes de contrôle ont été validées en modes de charge, de surcharge et de récupération par simulation numérique et expérimentalement. Plutôt que d'utiliser un convertisseur 4-port nécessitant le contrôle de 6 échanges entre ports, nous avons choisi d'étudier par simulation la mise en parallèle de deux montages 3-ports connectés sur la même source principale et la même charge. La présence de ces deux convertisseurs permet selon le point de fonctionnement considéré d'optimiser le rendement du dispositif / This thesis deals with architecture and control of hybrid electrical energy sources where the main source is a fuel cell and the auxiliary one, supercapacitors. Among the various possible power electronics architectures, an isolated multi-port converter using a multi winding transformer has been realized. Each element of the device (fuel cell, supercapacitors and load) is connected to one winding by a voltage inverter. The control of energy exchanges is performed by controlling the phase shifts between voltage waveforms delivered by inverters. The use of identical converters and control modes ensures the modular nature of the system. Transformer modeling is performed in general manner for a N-port transformer and the development of a polygon model simplifies the calculation of the energy exchanges between ports. Two control methods are presented. The first method, more conventional, uses a linear regulator to control the power delivered by the fuel cell and the output voltage is controlled via the electrostatic energy stored in the output capacitor. The limitation of the current variation delivered by the fuel cell is performed by limiting the variation of the input power. The second method is based on the concept of flatness. Energies stored in the capacitors are the flat output variables whereas the powers exchanged between the main source and the other ports are the control variables. It was then possible to determine the trajectory of the flat outputs to meet various constraints like the limitation of the current variation delivered by the fuel cell, the fuel cell maximum power, and the current of the output capacitor during startup. Both control methods have been validated in normal, overload and recovery modes by numerical simulation and experimental results. Rather than using a 4-port converter requiring control of six energy exchanges between ports, the paralleling of two 3-port converters connected to the same main source and load using simulation is studied. The presence of these two converters allows optimizing the system efficiency according to the considered operating point

Le transport des personnes et des marchandises représente plus de 25% de la consommation d'énergie et est l'une des principales sources de pollution dans le monde. Plusieurs efforts doivent être faits pour réduire la dépendance du pétrole, la consommation d'énergie et l'impact environnemental des systèmes de transport. Dans cette perspective, la Direction Générale de l'Armement a soutenu la conception et la réalisation du banc d'Evaluation de Composantes de la Chaine Electrique (ECCE). Il s'agit d'un laboratoire mobile qui permet d'évaluer dans des conditions d'utilisation réelles, les différentes composantes énergétiques utilisées dans les véhicules électriques. Les travaux de cette Thèse de Doctorat s'inscrivent dans le contexte du projet ECCE. Le principal objectif est de concevoir, d'implanter et de valider expérimentalement un système temps réel de gestion d'énergie pour véhicule électrique hybride. L'architecture énergétique retenue pour cette étude comporte un banc de batteries au plomb, un système pile à combustible et un banc de supercondensateurs. Nous proposons un système de gestion d'énergie qui permet de prendre en compte l'expertise de plusieurs spécialistes sur ces sujets. La conception du système de gestion d'énergie est ainsi réalisée en utilisant une enquête conçue pour extraire la connaissance des experts du domaine (10 experts de différentes affiliations). La logique floue de type 2 permet d'intégrer de l'incertitude dans les réponses et ainsi de considérer simultanément les différents avis des experts. Ce travail présente dans une première partie l'étude des modèles des sources énergétiques et de la structure de commande du véhicule. Cette structure est basée sur la Représentation Energétique Macroscopique (REM). Des résultats de simulation et de validation expérimentale d'une méthodologie pour paramétrer le modèle équivalent des supercondensateurs sont également présentés. La deuxième partie est consacrée à l'étude des systèmes logique floue de type 2. Ces systèmes sont étudiés et présentés en utilisant un exemple numérique. En complément des travaux menés sur l'implantation logicielle de la logique floue de type 2, une application a été conçue, implantée et validée expérimentalement : il s'agit du contrôle de la tension de sortie d'un hacheur dévolteur. L'objectif principal de cette application était de permettre une pré-validation de l'application de la logique floue de type 2 dans le cas d'applications industrielles. Finalement, le système de gestion d'énergie proposé a été validé successivement par des simulations, des essais statiques expérimentaux, des essais de roulage en mode d'opération normale et en mode d'opération dégradée. Nous avons mis en évidence que la logique floue de type 2 est particulièrement bien adaptée pour des applications temps réel dans le domaine du génie électrique.

Un véhicule hybride est un véhicule qui dispose d'au moins deux sources d'énergie pour son déplacement. Dans le cas du véhicule hybride thermique électrique, une source est non-réversible (réservoir de carburant) l'autre est réversible (batterie).<br />Le problème est d'utiliser de manière optimum par rapport à la consommation de carburant (et donc les émissions de CO2) l'énergie disponible dans la batterie. Cette optimisation est possible en utilisant au mieux les degrés de liberté de la chaîne de traction du véhicule (rapports de boîte par exemple), tout en satisfaisant la demande de puissance du conducteur.

L'objectif de ce travail consiste à appliquer des techniques de contrôle optimal pour améliorer la performance des lois de gestion d'énergie. Plus précisément, les techniques étudiées sont les solutions de viscosité de l'équation de Hamilton-Jacobi, des méthodes level-set pour l'étude de l'atteignabilité, la programmation dynamique stochastique, la programmation dynamique stochastique duale et les contraintes en probabilité. En premier lieu, ce document débute avec la présentation des outils techniques et modèles nécessaires à l'étude de l'optimisation des lois de gestion d'énergie au sein des véhicules hybrides. En deuxième lieu, nous regardons la synthèse des lois de gestion d'énergie en prenant compte des incertitudes dans le profil de vitesse du véhicule. Dans un premier moment, cette étude porte sur l'utilisation de la programmation dynamique stochastique. Dans un second moment, la programmation dynamique stochastique duale est analysée. Ensuite, nous introduisons une formulation du problème de contrôle optimal avec des contraintes en probabilités, visant la synthèse de lois plus flexibles. En troisième lieu, des résultats théoriques sur l'étude de l'atteignabilité des systèmes hybrides sont démontrés. L'ensemble des états atteignables est caractérisé par une fonction valeur. Nous démontrons ensuite que cette fonction valeur est l'unique solution d'un système d'inégalités quasi-variationnelles dans le sens de la viscosité. Aussi, nous montrons la convergence d'une classe de schémas numériques permettant le calcul de cette fonction valeur. Visant à approfondir l'étude sur l'atteignabilité, nous nous intéressons à une formulation de la dynamique hybride en temps discret, ce qui amène à l'utilisation d'un algorithme directement basé sur la programmation dynamique pour caractériser la fonction valeur. Finalement, nous

Cette thèse est consacrée au développement de techniques de commande avancées pour des classes de systèmes non linéaires en général et pour des applications automobiles en particulier.Pour répondre au besoin du contrôle moteur, la première partie propose des nouveaux résultats théoriques sur la technique de commande non linéaire à base de modèles de type Takagi-Sugeno soumis à la saturation de la commande. La saturation de la commande est traitée en utilisant sa représentation polytopique ou une stratégie anti-windup.La deuxième partie porte sur la commande du système d'air d'un moteur turbocompressé à allumage commandé. Deux approches originales sont proposées. Dans la première, l'outil théorique concernant les modèles Takagi-Sugeno à commutation développé dans la première partie est directement appliqué. La seconde approche est basée sur une commande linéarisante robuste. L'originalité de ces approches multivariables consiste dans sa simplicité de mise en œuvre et son efficacité par rapport à celles qui existent dans la littérature.La dernière partie vise à développer des stratégies pour la gestion énergétique des systèmes électriques d'un véhicule obtenues en se basant sur le Principe du Minimum de Pontryagin. À cet effet, deux approches sont considérées : l'approche hors ligne d'optimisation utilisant les informations du futur concernant les conditions de roulage et l'approche en ligne qui est adaptée de la précédente. Ensuite, ces deux approches sont implémentées et évaluées dans un simulateur avancé.

A l'heure où l'automobile doit répondre à des enjeux environnementaux majeurs, le dimensionnement de la chaîne de traction est l'une des problématiques clef dans la conception d'un véhicule électrique hybride afin d'améliorer sa consommation énergétique. Dans ce contexte, nous proposons de pré-dimensionner les éléments de la chaîne de traction (moteur thermique, machine électrique et batterie) en considérant les profils de mission liés à l'usage du véhicule (urbain, extra-urbain) et sans choix a priori, ni de la structure (série ou parallèle), ni de la puissance nominale des composants. L'originalité des travaux repose ainsi sur deux axes. D'une part, un modèle de l'usage d'un véhicule est développé afin de caractériser une mission définie par le trio de variables {vitesse ; accélération ; inclinaison}. Ce modèle, basé sur la matrice de Markov, permet de conserver la corrélation entre les trois variables ainsi que leurs caractéristiques statistiques. Suite à cette modélisation, de nombreuses missions peuvent être générées aléatoirement. D'autre part, la chaîne de traction hybride est modélisée selon une approche par flux de puissance pour les deux structures série et parallèle. Des modèles génériques adimensionnels des composants sont alors utilisés de manière à ne pas faire de choix a priori sur leur valeur nominale et une stratégie de gestion de l'énergie en ligne maximisant le rendement de la chaîne de traction est proposée. Enfin, un algorithme de dimensionnement a été développé de manière à minimiser la consommation de carburant du véhicule sur un ensemble de missions simulées. Le dimensionnement obtenu est donc optimisé par rapport à l'usage prévu du véhicule.

A l'aide de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) comme outil de modélisation graphique, la modélisation et la gestion d'énergie d'une application stationnaire isolée à base d'un système PEMFC couplé à l'énergie solaire photovoltaïque comme source principale d'énergie sont développées. Afin d'assurer une autonomie du système en combustible, un électrolyseur PEM est intégré au dispositif. En outre, des packs de batteries et de supercondensateurs permettent un stockage d'énergie et de puissance.Grâce à la modularité de la REM, les modèles respectifs des différentes entités énergétiques du système ont été développés avant de les assembler pour reconstituer un modèle global. Une caractéristique propre de la REM étant la commande, une Structure Maximale de Commande (SMC) est déduite du modèle REM du système par application de règles d'inversion.Le phénomène d'effet échelle a permis de dimensionner le système grâce à un profil de consommation domestique d'énergie électrique. Une stratégie de gestion énergétique basée sur la méthode du bilan des flux de puissance et prenant en compte les dynamiques de chaque source a été développée. Différents modes de fonctionnement ont été étudiés. Grâce è un profil d'ensoleillement d'une journée, la pertinence du modèle a été évaluée. Il a été en outre introduit un couplage entre la méthode du bilan des flux de puissance et la logique floue afin que la stratégie de gestion redéfinisse les références des grandeurs électriques en tenant compte de l'état de charge des batteries et de celui des supercondensateurs.

La conception d'une stratégie de gestion des flux de puissance au bord des véhicules électriques de puissance moyenne est considérée, dont le système d'alimentation est composé de différentes sources électriques : pile à combustible, batterie et super-condensateur. Chacune des sources est spécialisée à travailler dans une certaine zone fréquentielle, i.e., la pile à combustible fourni sa puissance en bas fréquence, tandis que le super-condensateur jeu son rôle en haute fréquence, la batterie fournissant la parti moyenne fréquence. Le système est bilinéaire ; il est transformé par linéarisation dans un système linéaire à des paramètres variants. A cette fin, nous proposons les techniques de commande multi-variable robuste de type LPV (linear parameter varying)/Hinf afin de spécifier la dynamique du courant de chaque source dans sa zone fréquentielle de préférence, en contribuant ainsi à la prolongation de sa durée de vie. Chaque source électrique est couplée avec un convertisseur DC-DC, les trois convertisseurs étant couplés en parallèle à un bus DC commun qui alimente le moteur électrique du véhicule jouant le rôle de la charge. La tension de ce bus DC doit être maintenue autour une valeur désirée. Les trois sources sont coordonnées pour fournir la puissance demandée par la charge quel que soit le cycle de conduite. Nous proposons également une méthode de réduction model pour simplifier le contrôleur LPV/ Hinf, qui sera adapté à l'implémentation pratique. Le système complet est simulé numériquement sur MATLAB/Simulink et réalisé pratiquement en utilisant deux cycles des conduites : le cycle européen normalisé (NEDC) et un cycle de conduite proposé par IFSTTAR (Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux). / In this thesis the problem of multi-source power sharing strategy within electric vehicles is considered. Three different kinds of power sources { fuel cell, battery and supercapacitor } compose the power supply system, where all sources are current-controlled and paralleled together with their associated DC-DC converters on a common DC-link. The DC-link voltage must be regulated regardless of load variations corresponding to the driving cycle. The proposed strategy is a robust control solution using a MIMO LPV/Hinf controller which provides the three current references with respect to source frequency characteristics. The selection of the weighting functions is guided by a genetic algorithm whose optimization criterion expresses the frequency separation requirements. A reduced-order version of the LPV/Hinf controller is also proposed to handle an embedded implementation with limited computational burden. The nonlinear multi-source system is tested by using two different types of driving cycles: the New European Driving Cycle (NEDC), the driving cycle of IFSTTAR (Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports, de l'Amenagement et des Reseaux). Simulation and real-time application results show good performance in supplying the load at constant DC-link voltage according to user-configured frequency-separation power sharing strategy.

Ce manuscrit présente les fondements dynamiques des jeux de population avec un nombre variable de joueurs ainsi que leurs concepts de solutions et de stabilités. Nous introduisons d'abord les dynamiques de jeux avec retard et étudions leurs stabilités. Nous les appliquons aux réseaux filaires et aux réseaux sans fils. Ensuite nous nous intéressons aux aspects de mobilité et aux distributions spatiales des joueurs sur le réseau. Cela nous conduit à une nouvelle classe de dynamique de jeux à stratégies vectorielles avec des contraintes de migrations, appelée dynamique de jeux d'évolution avec migration. Nous dérivons de telles dynamiques pour les réseaux hybrides et appliquons aux problèmes de contrôle de puissance dans les réseaux hétérogènes, choix entre plusieurs technologies et migration entre plusieurs classes d'utilisateurs. Ensuite nous nous focalisons aux jeux stochastiques de population avec plusieurs classes de joueurs dans lesquels chaque joueur possède son propre état et fait face un vecteur qui évolue dans le temps. Des applications à la gestion d'énergie dans les réseaux sont présentées. Finalement, nous étudions une classe de jeux à champ moyen. Lorsque la taille de la population devient très grande, les asymptotiques du système conduisent à des dynamiques appelées dynamiques de jeux à champ moyen. Cette classe de dynamiques contient les dynamiques standard basées sur des révisions de stratégies. Nous utilisons ce modèle pour analyser les problèmes accès aléatoires à des ressources dans un environnement où les utilisateurs et les ressources sont spatialement distribuées. Nous établissons un lien entre les jeux à champ moyen et les jeux différentiels de population dans lesquels chaque joueur a son état individuel et optimise son paiement à long terme pendant son temps de séjour dans le système sous contraintes que le profil de population évolue selon une dynamique de jeux à champ moyen / His manuscript presents dynamic foundations of population games with variable number of players and their solutions and stability concepts. We first introduce delayed evolutionary game dynamics and study their stability. Applications to both wired and wireless networks are presented. We then introduce mobility and spatial aspects of players distribution into the network dynamics. This leads to a new class of game dynamics with multicomponent strategies and migration constraints called evolutionary game dynamics with migration. We derived such dynamics for hybrid systems such as power control in heterogenous networks, switching between technologies and migration between different classes of users. After that we focus on stochastic population games with multiple classes of players in which each player has its own state and facing to an evolving vector which represents the population profile. We use this model to analyze resource and energy constrained interactions in wireless networks. Finally, we present a class of mean field games. When taking the asymptotics of finite systems, we derive a new class of game dynamics called mean field game dynamics. This class contains the standard evolutionary game dynamics based on revision of pure actions. We apply this model to analyze spatial random access game and dynamic resource competition game with individual states. We establish a link betweenmean field games and differential population games inwhich each player optimizes its long-term objective during its sojourn time in the system subject to the constraint that the population profile evolves according to some mean field game dynamics