The automotive industry is undertaking major technological steps in an effort to reduce emissions and fight climate change. To reduce the reliability on fossil fuels a lot of research is invested into electric motors (EM) and their applications. One such application is plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), in which internal combustion engines (ICE) and EM are used in combination, and take turns to propel the vehicle based on driving conditions. The main optimization problem of PHEV is to decide when to use which motor. If this optimization is done with respect to emissions, the entire electric charge should be used up before the end of the trip. But if the charge is used up too early, latter driving segments for which the optimal choice would have been to use the EM will have to be done using the ICE. To address this optimization problem, we studied the fuel consumption during different driving conditions. These driving conditions are characterized by hundreds of sensors which collect data about the state of the vehicle continuously when driving. From these data, we constructed 150 seconds segments, including e.g. vehicle speed, before new descriptive features were engineered for each segment, e.g. max vehicle speed. By using the characteristics of typical driving conditions specified by the Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC), segments were labelled as a highway or city road segments. To reduce the dimensions without losing information, principle component analysis was conducted, and a Gaussian mixture model was used to uncover hidden structures in the data. Three machine learning regression models were trained and tested: a linear mixed model, a kernel ridge regression model with linear kernel function, and lastly a kernel ridge regression model with an RBF kernel function. By splitting the data into a training set and a test set the models were evaluated on data which they have not been trained on. The model performance and explanation rate obtained for each model, such as R2, Mean Absolute Error and Mean Squared Error, were compared to find the best model. The study shows that the fuel consumption can be modelled by the sensor data of a PHEV test fleet where 6 features contributes to an explanation ratio of 0.5, thus having highest impact on the fuel consumption. One needs to keep in mind the data were collected during the Covid-19 outbreak where travel patterns were not considered to be normal. No regression model can explain the real world better than what the underlying data does. / Fordonsindustrin vidtar stora tekniska steg för att minska utsläppen och bekämpa klimatförändringar. För att minska tillförlitligheten på fossila bränslen investeras en hel del forskning i elmotorer (EM) och deras tillämpningar. En sådan applikation är laddhybrider (PHEV), där förbränningsmotorer (ICE) och EM används i kombination, och turas om för att driva fordonet baserat på rådande körförhållanden. PHEV: s huvudoptimeringsproblem är att bestämma när man ska använda vilken motor. Om denna optimering görs med avseende på utsläpp bör hela den elektriska laddningen användas innan resan är slut. Men om laddningen används för tidigt måste senare delar av resan, för vilka det optimala valet hade varit att använda EM, göras med ICE. För att ta itu med detta optimeringsproblem, studerade vi bränsleförbrukningen under olika körförhållanden. Dessa körförhållanden kännetecknas av hundratals sensorer som samlar in data om fordonets tillstånd kontinuerligt vid körning. Från dessa data konstruerade vi 150 sekunder segment, inkluderandes exempelvis fordonshastighet, innan nya beskrivande attribut konstruerades för varje segment, exempelvis högsta fordonshastighet. Genom att använda egenskaperna för typiska körförhållanden som specificerats av Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC), märktes segment som motorvägs- eller stadsvägsegment. För att minska dimensioner på data utan att förlora information, användes principal component analysis och en Gaussian Mixture model för att avslöja dolda strukturer i data. Tre maskininlärnings regressionsmodeller skapades och testades: en linjär blandad modell, en kernel ridge regression modell med linjär kernel funktion och slutligen en en kernel ridge regression modell med RBF kernel funktion. Genom att dela upp informationen i ett tränings set och ett test set utvärderades de tre modellerna på data som de inte har tränats på. För utvärdering och förklaringsgrad av varje modell användes, R2, Mean Absolute Error och Mean Squared Error. Studien visar att bränsleförbrukningen kan modelleras av sensordata för en PHEV-testflotta där 6 stycken attribut har en förklaringsgrad av 0.5 och därmed har störst inflytande på bränsleförbrukningen . Man måste komma ihåg att all data samlades in under Covid-19-utbrottet där resmönster inte ansågs vara normala och att ingen regressionsmodell kan förklara den verkliga världen bättre än vad underliggande data gör.

To cope with the increasing demand of a more sustainable mobility, the main Original Equipment Manufacturers are producing vehicles equipped with hybrid propulsion systems that increase the overall vehicle efficiency and mitigate the emission problem at a local level. The newly gained degrees of freedom of the hybrid powertrain need to be handled by advanced energy management techniques that allow to fully exploit the system capabilities. In this thesis we propose an optimal control approach to the solution of the energy management problem, putting emphasis on the importance of accurate models for the reliability of the optimization solution. In the first part of the thesis we address the energy management problem for a hybrid electric vehicle, including the mitigation of the battery aging mechanisms. We show that, with an optimal management strategy, we could extend the battery life up to 25% for some driving cycles while keeping the fuel savings performance substantially unaltered. In the second part of the thesis we focus on the hydrostatic hybrid transmission, a different hybridization solution that is able to fulfill the high power demand of heavy duty off-highway vehicles. Also in this case, we formulate the energy management problem as an optimal control problem, dealing with the complexity introduced by the discrete valve actuations in the framework of mixed-integer optimal control. We show that, using hydraulic accumulators to recover energy from the regenerative braking, we could reduce fuel consumption up to 13% for a typical driving cycle. In the third and last part of the thesis we show how the optimization approach can be used to systematically design and calibrate control algorithms, casting the calibration problem into a Linear Matrix Inequality. We first develop a non-overshooting closed-loop control for the actuation pressure of a wet clutch, proving the effectiveness of the control on an experimental setup. Finally, we focus on the design of a dead-zone based kinematic observer for the estimation of the lateral velocity of a road vehicle. The structure of the observer presents good noise rejection performance, allowing for the selection of a higher observer gain that improves the estimation accuracy.

This thesis develops dynamic models for the two-mode FWD EVT, develops a control system based on those models that is capable of meeting driver torque demands and performing synchronous mode shifts between different EVT modes while also accommodating preferred engine operating points. The two-input two-output transmission controller proposed herein incorporates motor-generator dynamics, is based on a general state-space integral control structure, and has feedback gains determined using linear quadratic regulator (LQR) optimization. Dynamic modeling of the vehicle is categorized as dynamic modeling of the mechanical and electrical subsystems where the mechanical subsystem consists of the planetary gear sets, the transmission and the engine whereas the electrical subsystem consists of the motor-generator units and the battery pack. A discussion of load torque is also considered as part of the mechanical subsystem. With the help of these derived dynamic models, a distinction is made between dynamic output torque and steady-state output torque. The overall control system consisting of multiple subsystems such as the human driver, power management unit (PMU), friction brakes, combustion engine, transmission control unit (TCU) and motor-generator units is designed. The logic for synchronous mode shifts between different EVT modes is also detailed as part of the control system design. Finally, the thesis presents results for responses in individual operating modes, EVT mode shifting and a full UDDS drive cycle simulation.

Le travail effectué au cours de cette thèse consiste à étudier et développer des techniques innovantes de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) qui visent à optimiser les chaînes de traction électriques embarquées dans des véhicules hybrides ou électriques. La MLI joue un rôle stratégique au coeur des variateurs de vitesse, elle influe sur le comportement général de la chaîne de traction et sur sa performance. La MLI présente des degrés de liberté qui peuvent contribuer avantageusement à redimensionner les composants du variateur tels que le circuit de refroidissement, le filtre EMI et le condensateur du bus continu. Les véhicules hybrides constituent une étape naturelle dans la transition énergétique entre les véhicules thermiques et les véhicules électriques. Notre étude contribue à l'optimisation des variateurs de vitesse en général et ceux au coeur des véhicules hybrides ou électriques en particulier. Notre apport consiste à proposer une MLI performante afin de rendre le variateur plus léger et plus compacte tout en garantissant les fonctionnalités traditionnelles. La compétitivité de ces variateurs et par conséquent des véhicules hybrides ou électriques devient alors accessible. Les véhicules hybrides ou électriques utilisent généralement une machine de traction à courant alternatif en raison de nombreux avantages que celle ci présente par rapport à une machine à courant continu. La source d’alimentation au bord d'un véhicule est une batterie, il est donc nécessaire d'utiliser un onduleur pour transformer la tension continue en tension alternative à amplitude et fréquence variables. Le contrôle de cet onduleur est réalisé par des techniques de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) ce qui permet ainsi de réguler le couple de la machine. Les techniques MLI produisent une composante basse fréquence, le fondamental qui est le signal désiré et des composantes hautes fréquences appelées harmoniques de commutation qui sont indésirables. Dans les véhicules modernes, il y a de plus en plus de charges mécaniques pilotées par des machines électriques et des systèmes électroniques. Il est impératif d'éliminer le risque d'interférences électromagnétiques entre ces différents systèmes pour éviter le dysfonctionnement ou la défaillance. Il faut donc filtrer ces harmoniques indésirables pour qu'elles ne perturbent pas les calculateurs et autres circuits électroniques de faibles niveaux de tensions. Il existe des techniques de modulation aléatoire (RPWM) qui permettent d'étaler les harmoniques à la fréquence de commutation et ses multiples. Dans cette étude, notre choix s’est porté sur la technique de modulation vectorielle aléatoire (RSVM) qui présente plusieurs avantages par rapport à la MLI intersective. Les machines pilotées par une MLI produisent des tensions de mode commun dites « shaft voltage », qui peuvent provoquer des courants à travers les roulements de la machine, ces derniers pouvant être destructifs. Nous avons pu développer une technique MLI vectorielle basée sur un choix judicieux des vecteurs nuls pour réduire cette tension de mode commun. La chaleur produite par les pertes dans les convertisseurs à commutation dure lors de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs doit être évacuée rapidement, ce qui réduit le stress thermique, évite la défaillance et augmente la durée de vie des interrupteurs. Une technique utilisée pour réduire ces pertes par commutation est la modulation discontinue (DPWM) ; une amélioration est apportée à cette technique dans ce travail. Cette amélioration est présentée sous forme d'une technique discontinue évolutive (EDSVM) qui s'adapte au régime du moteur pour minimiser les pertes. Grâce à cette technique une meilleure distribution du stress thermique sur les différents bras de l'onduleur est rendue possible et permet ainsi d'augmenter la durée de vie de l'onduleur. (...) / The dissertation documents research work carried out on Pulse Width Modulation (PWM) strategies for hard switched Voltage Source Inverters (VSI) for variable speed electric drives. This research is aimed at Hybrid Electric Vehicles (HEV). PWM is at the heart of all variable speed electric drives; they have a huge influence on the overall performance of the system and may also help eventually give us an extra degree of freedom in the possibility to rethink the inverter design including the re-dimensioning of the inverter components.HEVs tend to cost more than conventional internal combustion engine (ICE) vehicles as they have to incorporate two traction systems, which is the major discouraging factor for consumers and in turn for manufacturers. The two traction system increases the maintenance cost of the car as well. In addition the electric drives not only cost extra money but space too, which is already scarce with an ICE under the hood. An all-electric car is not yet a viable idea as the batteries have very low energy density compared with petrol or diesel and take considerable time to charge. One solution could be to use bigger battery packs but these add substantially to the price and weight of the vehicle and are not economically viable. To avoid raising the cost of such vehicles to unreasonably high amounts, autonomy has to be compromised. However hybrid vehicles are an important step forward in the transition toward all-electric cars while research on better batteries evolves. The objective of this research is to make electric drives suitable for HEVs i.e. lighter, more compact and more efficient -- requiring less maintenance and eventually at lower cost so that the advantages, such as low emissions and better fuel efficiency, would out-weigh a little extra cost for these cars. The electrical energy source in a vehicle is a battery, a DC Voltage source, and the traction motor is generally an AC motor owing to the various advantages it offers over a DC motor. Hence the need for a VSI, which is used to transform the DC voltage into AC voltage of desired amplitude and frequency. Pulse width modulation techniques are used to control VSI to ensure that the required/calculated voltage is fed to the machine, to produce the desired torque/speed. PWM techniques are essentially open loop systems where no feedback is used and the instantaneous values differ from the required voltage, however the same average values are obtained. Pulse width modulated techniques produce a low frequency signal (desired average value of the switched voltage) also called the fundamental component, along with unwanted high frequency harmonics linked to the carrier signal frequency or the PWM period. In modern cars we see more and more mechanical loads driven by electricity through digital processors. It is very important to eliminate the risk of electromagnetic interference between these systems to avoid failure or malfunction. Hence these unwanted harmonics have to be filtered so that they do not affect the electronic control unit or other susceptible components placed in the vicinity. Randomised modulation techniques (RPWM) are used to dither these harmonics at the switching frequency and its multiple. In this thesis a random modulator based on space vector modulation is presented which has additional advantages of SVM. Another EMI problem linked to PWM techniques is that they produce common mode voltages in the load. For electric machines, common mode voltage produces shaft voltage which in turn provokes dielectric stress on the motor bearings, its lubricant and hence the possibility of generating bearing currents in the machine that can be fatal for the machine. To reduce the common mode voltage a space vector modulation strategy is developed based on intelligent placement of zero vectors. (...)

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. / A new powertrain for a hybrid electric vehicle of heavy duty was developed in this research work. In this case, the design and the optimization of electrical components of powertrain have been investigated involving the permanent magnet synchronous machines, the associated inverters and the Ravigneaux train. Regarding the design, an analytical model was created and that permits simultaneously answering to specification. The various multiphysic constraints have been taken into account in analytical model. And then the numerical model was carried out via finite element method has been implemented. The numerical model allowed us to valid electrical machine performances. Regarding the optimization, a global optimization strategy was investigated. An optimization example was based on a system which was composed of two electrical machines, two associated inverters and the Ravigneaux train; The comparison based on this example between the local optimization and the global optimization, which allowed us to valid the advantage of global optimization strategy. The experimentation has been performed with a test bench involving the prototype machine and the load machine, the two electrical machines were fed and controlled by two frequency drives. The experimental results permit to valid the theoretical models.

Ce mémoire traite du pilotage de systèmes hybrides de puissance électrique. Les sources principales d’énergie sont un système photovoltaïque et une pile à combustible. Les sources secondaires sont un pack de batteries et un pack de supercondensateurs. Le dimensionnement des sources secondaires est réalisé afin de gérer les transitoires de puissances et de fournir l’appoint d’énergie lorsque celle issue des sources principales est insuffisante. Les sources principales, quant à elles, fournissent l’énergie à la charge en régime permanent. Le contrôle des flux d’énergies et les asservissements de puissance utilisés dans cette thèse sont basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. Ils permettent d’obtenir des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. Le superviseur, permettant de répartir la puissance entre les différents organes de stockage, est réalisé à base de contrôleur flou et assure que les supercondensateurs avec leur convertisseur d’interface sont utilisés comme filtre de puissance et apportent l’énergie en régime transitoire. En revanche, les batteries fournissent ou absorbent l'énergie sur des durées plus longues / This thesis deals with the control of electrical hybrid system. The main sources consist in an association of photovoltaic and fuel cell system. The secondary sources are a bank of batteries and a bank of supercapacitors. The sizing of secondary sources is realized to manage the power during the transient state and provide extra energy when the power of main sources is insufficient in steady state. The main sources provide the essential energy of the electrical hybrid system during steady state. The control of energy flows and power tracking used in this thesis are based on the flatness technique. This control system allows obtaining high dynamic properties in the power tracking and the regulation of system. The supervisor for sharing the power between the different storage devices is realized thanks to a fuzzy logic controller. This controller ensures that the bank of supercapacitors with its interface converter is used as a power filter and provides the energy in transient states. However, the bank of batteries provides or absorbs the energy in longer periods especially during recovery or overload modes

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

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse visent à développer une machine à griffes à base d'aimants permanents pour les applications automobiles avec un concept de réutilisation et de recyclage des aimants permanents. Ces recherches sont menées dans le cadre du projet DEMETER, qui s'inscrit dans le cadre des Marie Sklodowska-Curie Actions dans Horizon 2020 de l'Union européenne. Le projet se concentre sur la récupération des aimants permanents à base de terres rares utilisés dans les applications automobiles en raison des problèmes actuels de fluctuation des prix et des problèmes d’offre et de demande de ces aimants permanents.La machine à griffes est utilisée dans presque toutes les automobiles du monde pour les applications d'alternateur. Avec l'augmentation de la demande en puissance, la machine à griffes est également développée en tant que moteur-générateur utilisé dans les véhicules électriques hybrides. Actuellement, la machine à griffes à base d'aimants permanents est utilisée dans des systèmes d’hybridation légère afin de réaliser des économies d'énergie. La littérature regorge de différentes configurations de machines à griffes pouvant être développées pour obtenir de meilleures performances. Cependant, le montage et le démontage facile des différentes parties de la machine sont également importants pour la réutilisation et le recyclage des aimants. Dans ce travail de recherche, deux concepts ont été développés; premièrement, le concept de réutilisation directe, c’est-à-dire le montage / démontage facile du rotor et des aimants, de manière à pouvoir retirer facilement les aimants pour les réutiliser ou les recycler directement; deuxièmement, le concept de recyclage direct, c'est-à-dire l'utilisation d'aimants recyclés dans la machine pour obtenir les performances souhaitées.Au cours de cette recherche, la conception de base de la machine à griffes a été développée, analysée et optimisée de manière à obtenir le meilleur rapport couple / poids aimant. Cela a permis de réduire le coût des aimants pour presque le même couple. L'optimisation a été effectuée en utilisant une analyse numérique en éléments finis 3D. Le modèle optimisé a été développé de manière à ce que le processus d’assemblage des aimants et des griffes reste le même. Cependant, lors du démontage, les aimants peuvent facilement être retirés sans démonter le rotor complet; et ainsi se servir de ces aimants pour les réutiliser directement dans d'autres applications ou les envoyer au recyclage. Dans le concept de recyclage direct, les aimants utilisés dans la machine sont des aimants recyclés aux performances dégradées. Le type de processus de recyclage est un facteur déterminant de la détérioration des performances de ces aimants recyclés. L'objectif du concept de recyclage direct était d'analyser la machine avec des aimants vierges et recyclés et d'évaluer la consommation d'énergie de la machine selon différents cycles de conduite. On a observé qu'avec l'utilisation d'aimants recyclés dans la machine à griffes, la consommation d'énergie était presque identique à celle de la machine à aimants vierges. On peut donc en conclure que pour les machines à griffes à aimants permanents, l’utilisation d’aimants recyclés est plus durable pour l’environnement car elle peut entraîner une diminution à l’extraction des matériaux de terres rares. Les fluctuations des prix et les problèmes d’offre peuvent également être réduits grâce à l’utilisation accrue des aimants recyclés, même si des politiques et des normes sont appliquées.Le prototype de la machine à aimants vierges a été fabriqué et testé pour ses performances. Il a été observé que les résultats expérimentaux correspondent très bien aux résultats des analyses de conception, validant ainsi le processus de conception et la méthodologie. / The research work presented in this thesis aims at developing a permanent magnet based claw-pole machine for automotive application with permanent magnet reuse and recycle concept. The aforesaid research is under the aegis of Project DEMETER which is in the framework of European Union’s Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions. The project focuses on the recovery of rare earth permanent magnets utilized in automotive applications due to the prevailing problems of price fluctuations and supply-demand issues of these permanent magnets.The claw-pole machine is employed in almost all of the automobiles in the world for alternator application. With the increase in power demands, the claw-pole machine is also being developed as a motor-generator utilized in the hybrid electric vehicles. At present the permanent magnet based claw-pole machine is being used in mild hybrid electric vehicles for energy savings. The literature is replete with various configurations of claw-pole machines that can be developed to achieve better performances. However, easy assembly and disassembly of various parts of the machine is also important for the reuse and recycle of magnets. In this research work two concepts have been developed; first, the direct reuse concept i.e. easy assembly/disassembly of the rotor and magnets, so as to easily take out the magnets for direct reuse or recycle and; second, the direct recycle concept i.e. utilization of recycled magnets in the machine to achieve the desired performance.In the course of this research the base design of the claw-pole machine was developed, analyzed and optimized so as to attain best torque versus magnet-weight ratio. This helped in the reduction of magnet cost for almost the same torque. The optimization was carried out using 3-D numerical analysis. The optimized model was developed in a way that the assembly process of the magnets and claw-poles remained the same. However, during disassembly the magnets can easily be withdrawn without disassembling the complete rotor; therefore utilizing these magnets for direct reuse in other applications or sent for recycling. In the direct recycle concept, the magnets used in the machine are recycled magnets with deteriorated performance. The type of recycling process is a strong determinant of the deterioration in performance of these recycled magnets. The aim of the direct recycle concept was to analyze the machine with virgin and recycled magnets, and evaluate the energy consumption of the machine under different drive cycles. It was observed that with utilization of recycled magnets in the claw-pole machine, the energy consumption was almost same as that of the machine with virgin magnets. Thus it can be concluded that for the permanent magnet based claw-pole machine, the utilization of recycled magnets is more sustainable for the environment as it can lead to consequential limits on the mining of rare earth materials. The price fluctuations and supply-demand problems can also be reduced with the increase in utilization of recycled magnets, albeit policy and norms are effectuated.The prototype of the machine with virgin magnets have been developed and tested for performance. It has been observed that the experimental results match fairly well with the design analysis results, hence validating the design process and methodology.

L'intérêt pour les véhicules électriques ne cesse de croitre au sein de la société contemporaine compte tenu de ses nombreuses interrogations sur l’environnement et la dépendance énergétique. Dans ce travail de thèse, nous essayons d’améliorer l’acceptabtabilité sociétale du véhicule électrique en essayant de faire avancer la recherche sur le diagnostique des défauts d’une chaine de traction électrique. Les résultats escomptés devraient permettre à terme d’améliorer la fiabilité et la durabilité de ces systèmes.Nous commençons par une revue des problèmes des défauts déjà apparus dans les véhicules hybrides séries qui disposent de l’architecture la plus proche du véhicule électrique. Une étude approfondie sur le diagnostic des défauts d’un convertisseur de puissance statique (AC-DC) ainsi que celle du moteur synchrone à aimants permanents est menée. Quatre types de défauts majeurs ont été répertoriés concernant le moteur (court-circuit au stator, démagnétisation, excentricité du rotor et défaut des roulements). Au niveau du convertisseur, nous avons considéré le défaut d’ouverture des interrupteurs. Afin d’être dans les mêmes conditions d’utilisation réelle, nous avons effectué des tests expérimentaux à vitesse et charge variables. Ce travail est basé aussi bien sur l’expérimentation que sur la modélisation. Comme par exemple, la méthode des éléments finis pour l’étude de la démagnétisation de la machine. De même, l’essai en court-circuit du stator du moteur en présence d’un contrôle vectoriel.Afin de réaliser un diagnostic en ligne des défauts, nous avons développé un modèle basé sur les réseaux de neurones. L’apprentissage de ce réseau de neurone a été effectué sur la base des résultats expérimentaux et de simulations, que nous avons réalisées. Le réseau de neurones est capable d'assimiler beaucoup de données. Ceci nous permet de classifier les défauts en termes de sévérité et de les localiser. Il permet ainsi d'évaluer le degré de performance de la chaine de traction électrique en ligne en présence des défauts et nous renseigner ainsi sur l'état de santé du système. Ces résultats devraient aboutir à l’élaboration d’une stratégie de contrôle tolérant aux défauts auto-reconfigurable pour prendre en compte les modes dégradés permettant une continuité de service du véhicule ce qui améliorera sa disponibilité. / The interest in the electric vehicles rose recently due both to environmental questions and to energetic dependence of the contemporary society. Accordingly, it is necessary to study and implement in these vehicle fault diagnosis systems which enable them to be more reliable and safe enhancing its sustainability. In this work after a review on problem of faults in the drivetrain of series hybrid electric vehicles (SHEV), a deep investigation on fault diagnosis of AC-DC power converter and permanent magnet synchronous motor (PMSM) have been done as two important parts of traction chains in SHEVs. In other major part of this work, four types of faults (stator winding inter turn short circuit, demagnetization, eccentricity ant bearing faults) of a PMSM have been studied. Inter turn short circuit of stator winding of PMSM in different speeds and loads has been considered to identify fault feature in all operation aspects, as it is expected by electric vehicle application. Experimental results aiming short circuits, bearing and eccentricity fault detection has been presented. Analytical and finite element method (FEM) aiming demagnetization fault investigation has been developed. The AC-DC converter switches are generally exposed to the possibility of outbreak open phase faults because of troubles of the switching devices. This work proposes a robust and efficient identification method for data acquisition selection aiming fault analysis and detection. Two new patterns under AC-DC converter failure are identified and presented. To achieve this goal, four different level of switches fault are considered on the basis of both simulation and experimental results. For accuracy needs of the identified pattern for SHEV application, several parameters have been considered namely: capacitor size changes, load and speed variations. On the basis of the developed fault sensitive models above, an ANN based fault detection, diagnosis strategy and the related algorithm have been developed to show the way of using the identified patterns in the supervision and the diagnosis of the PMSM drivetrain of SHEVs. ANN method have been used to develop three diagnosis based models for : the vector controlled PMSM under inter turn short circuit, the AC/DC power converter under an open phase fault and also the PMSM under unbalanced voltage caused by open phase DC/AC inverter. These models allow supervising the main components of the PMSM drivetrains used to propel the SHEV. The ANN advantages of ability to include a lot of data mad possible to classify the faults in terms of their type and severity. This allows estimating the performance degree of that drivetrains during faulty conditions through the parameter state of health (SOH). The latter can be used in a global control strategy of PMSM control in degraded mode in which the control is auto-adjusted when a defect occurs on the system. The goal is to ensure a continuity of service of the SHEV in faulty conditions to improve its reliability.

This dissertation focuses on the introduction and development of an integrated model-based design and optimization platform to solve the optimal design and optimal control, or hardware and software co-design, problem for hybrid electric propulsion systems. Specifically, the hybrid and plug-in hybrid electric powertrain systems with diesel and natural gas (NG) fueled compression ignition (CI) engines and large Li-ion battery energy storage system (ESS) for propelling a hybrid electric marine vessel are investigated. The combined design and control optimization of the hybrid propulsion system is formulated as a bi-level, nested optimization problem. The lower-level optimization applies dynamic programming (DP) to ensure optimal energy management for each feasible powertrain system design, and the upper-level global optimization aims at identifying the optimal sizes of key powertrain components for the powertrain system with optimized control. Recently, Li-ion batteries became a promising ESS technology for electrified transportation applications. However, these costly Li-ion battery ESSs contribute to a large portion of the powertrain electrification and hybridization costs and suffer a much shorter lifetime compared to other key powertrain components. Different battery performance modelling methods are reviewed to identify the appropriate degradation prediction approach. Using this approach and a large set of experimental data, the performance degradation and life prediction model of LiFePO4 type battery has been developed and validated. This model serves as the foundation for determining the optimal size of battery ESS and for optimal energy management in powertrain system control to achieve balanced reduction of fuel consumption and the extension of battery lifetime. In modelling and design of different hybrid electric marine propulsion systems, the life cycle cost (LCC) model of the cleaner, hybrid propulsion systems is introduced, considering the investment, replacement and operational costs of their major contributors. The costs of liquefied NG (LNG), diesel and electricity in the LCC model are collected from various sources, with a focus on present industrial price in British Columbia, Canada. The greenhouse gas (GHG) and criteria air pollutant (CAP) emissions from traditional diesel and cleaner NG-fueled engines with conventional and optimized hybrid electric powertrains are also evaluated. To solve the computational expensive nested optimization problem, a surrogate model-based (or metamodel-based) global optimization method is used. This advanced global optimization search algorithm uses the optimized Latin hypercube sampling (OLHS) to form the Kriging model and uses expected improvement (EI) online sampling criterion to refine the model to guide the search of global optimum through a much-reduced number of sample data points from the computationally intensive objective function. Solutions from the combined hybrid propulsion system design and control optimization are presented and discussed. This research has further improved the methodology of model-based design and optimization of hybrid electric marine propulsion systems to solve complicated co-design problems through more efficient approaches, and demonstrated the feasibility and benefits of the new methods through their applications to tugboat propulsion system design and control developments. The resulting hybrid propulsion system with NG engine and Li-ion battery ESS presents a more economical and environmentally friendly propulsion system design of the tugboat. This research has further improved the methodology of model-based design and optimization of hybrid electric marine propulsion systems to solve complicated co-design problems through more efficient approaches, and demonstrated the feasibility and benefits of the new methods through their applications to tugboat propulsion system design and control developments. Other main contributions include incorporating the battery performance degradation model to the powertrain size optimization and optimal energy management; performing a systematic design and optimization considering LCC of diesel and NG engines in the hybrid electric powertrains; and developing an effective method for the computational intensive powertrain co-design problem. / Graduate