Le réchauffement climatique, la pollution de l'environnement et l'épuisement des énergies pétrolières ont attiré l'attention de l'humanité dans le monde entier. Les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (FCHEV), utilisant l’hydrogène comme carburant et n’émettant aucune émission, sont considérés par les organismes publics et privés comme l’un des meilleurs moyens de résoudre ces problèmes. Cette thèse de doctorat considère un FCHEV avec trois sources d'énergie: pile à combustible, batterie et supercondensateur, ce qui complique l'élaboration d'une stratégie de gestion de l'énergie (EMS) pour répartir la puissance entre différentes sources d'alimentation. Parmi les méthodes de gestion de l'énergie de la littérature actuelle, la stratégie de minimisation de la consommation équivalente (ECMS) a été sélectionnée car elle permet une optimisation locale sans connaissance préalable des conditions de conduite et cela en donnant des résultats optimaux.En raison de la faible densité énergétique du supercondensateur, sa consommation équivalente d'hydrogène est négligée dans la plupart des références bibliographiques, ce qui va non seulement à l'encontre de l'objectif de minimiser la consommation totale d'hydrogène, mais accroît également la complexité du système EMS en raison du besoin d'un système EMS supplémentaire pour calculer la demande en puissance du supercondensateur. Ainsi, une stratégie ECMS à programmation quadratique séquentielle (SECMS) est proposée pour prendre en compte le coût énergétique des trois sources d’énergie dans la fonction objectif. Une stratégie de contrôle basée sur des règles (RBCS) et une stratégie hybride (HEOS) a été également conçues pour être comparée à SECMS. La dégradation des sources d'énergie représente un défi majeur pour la stabilité du système SECMS développé. Basé sur l'estimation en ligne de l'état de santé de la pile à combustible et de la batterie, le système ECMS adaptatif (AECMS) a été implémenté en ajustant le facteur équivalent et le taux de changement dynamique de la pile à combustible. Les résultats de la simulation montrent que l’AECMS peut assurer le maintien de la charge de la batterie et l’augmentation de la durabilité de la pile à combustible.Pour valider les algorithmes de gestion de l'énergie et les modèles numériques proposés, un banc d'essai expérimental a été construit autour de l'interface temps réel DSPACE. La comparaison des résultats de la simulation numérique et des résultats expérimentaux a montré que le système SECMS proposé fonctionne à un rendement maximal, que le supercondensateur fournit la puissance de pointe et que la batterie fonctionne comme un tampon d’énergie. Il a été prouvé que la négligence de la consommation d'hydrogène équivalente au supercondensateur dans l'ECMS conduit à un fonctionnement non optimal. Comparé à RBCS et HEOS, la SECMS a le moins d'hydrogène consommé et le courant de pile à combustible le plus stable. / Global warming, environment pollution and exhaustion of petroleum energies have risen their attention of the humanity over the world. Fuel cell hybrid electric vehicle (FCHEV) taking hydrogen as fuel and have zero emission, is thought by public and private organisms as one of the best ways to solve these problems. This PhD dissertation consider a FCHEV with three power sources: fuel cell, battery and supercapacitor, which increases the difficult to design an energy management strategy (EMS) to split the power between the different power sources.Among the EMS available in the current literature, the Equivalent consumption minimization strategy (ECMS) was selected because it allows a local optimization without rely on prior knowledge of driving condition while giving optimal results.Due to low energy density of supercapacitor, its equivalent hydrogen consumption is neglected in most bibliographic references, which not only counter to the aim of minimizing whole hydrogen consumption but also increase the complication of EMS due to the need of an additional EMS to calculate supercapacitor power demand. Thus, a sequential quadratic programming ECMS (SECMS) strategy is proposed to consider energy cost of all three power sources into the objective function. A rule based control strategy (RBCS) and hybrid strategy (HEOS) are also designed in order to to be compared with SECMS. Degradation of energy sources represents a major challenge for the stability of the developed SECMS system. So, based on online estimating state of heath of fuel cell and battery, an adaptive ECMS (AECMS) has been designed through adjusting the equivalent factor and dynamical change rate of fuel cell. The simulation results show that the AECMS can ensure the charge sustenance of battery and the increase of fuel cell durability.To validate the proposed energy management algorithms and the numerical models an exerimental test bench has been built around the real time interface DSPACE. The comparison of the simulation and experimental results showed that the proposed SECMS is operated at around maximum efficiency, supercapacitor supplies peak power, battery works as the energy buffer. It has been proved that the neglect of supercapacitor equivalent hydrogen consumption in ECMS leads to not optimal operation. Compared with RBCS and HEOS, SECMS has least hydrogen consumption and most stable fuel cell current.

Eine kompakte Integration der Leistungselektronik in einem Fahrzeuggetriebe des Hybridfahrzeugs stellt hohe Anforderungen an die Lastwechselfestigkeit der Halbleiter-Leistungsmodule. Gefordert wird die Auslegung für die Kühlmitteltemperatur von 125°C und für die Sperrschichttemperatur von 200°C. Für die Untersuchung der Lastwechselfestigkeit bei geforderten hohen Temperaturen werden neue Prüfstandskonzepte und Messmethoden vorgestellt. Mit realisierten Testständen wird die Lastwechselfestigkeit der neuen Aufbau- und Verbindungstechnologien „gehärtete Aluminiumbonddrähte”, „Diffusionslöten”, „Lötung mit vertikalen Strukturen” und „Niedertemperatur-Verbindungstechnik” untersucht. / High power density of the power electronics in a hybrid electric vehicle demands a high power cycling capability of the semiconductor power module. Requirements are: 125°C coolant and 200°C junction temperature. For the investigation of the power cycling capability at high temperatures new test benches and measurement methods are introduces. With realized methods the reliability of following new interconnection technologies is investigated: doped aluminium bond wires, diffusion soldering, solder layer with vertical microstructures, low temperature sinter technology.

The well-to-wheel (WTW) environmental performance of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) is sensitive to driving patterns, which vary within and across regions. This thesis develops and applies a novel approach for estimating specific regional driving patterns. The approach employs a macroscopic traffic assignment model linked with a vehicle motion model to construct driving cycles, which is done for a wide range of driving patterns. For each driving cycle, the tank-to-wheel energy use of two PHEVs and comparable non-plug-in alternatives is estimated. These estimates are then employed within a WTW analysis to investigate implications of driving patterns on the energy use and greenhouse gas emission of PHEVs, and the WTW performance of PHEVs relative to non-plug-in alternatives for various electricity generation scenarios. The results of the WTW analysis demonstrate that driving patterns and the electricity generation supply interact to substantially impact the WTW performance of PHEVs.

The well-to-wheel (WTW) environmental performance of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) is sensitive to driving patterns, which vary within and across regions. This thesis develops and applies a novel approach for estimating specific regional driving patterns. The approach employs a macroscopic traffic assignment model linked with a vehicle motion model to construct driving cycles, which is done for a wide range of driving patterns. For each driving cycle, the tank-to-wheel energy use of two PHEVs and comparable non-plug-in alternatives is estimated. These estimates are then employed within a WTW analysis to investigate implications of driving patterns on the energy use and greenhouse gas emission of PHEVs, and the WTW performance of PHEVs relative to non-plug-in alternatives for various electricity generation scenarios. The results of the WTW analysis demonstrate that driving patterns and the electricity generation supply interact to substantially impact the WTW performance of PHEVs.

L’apparition massive des véhicules électriques (VEs) sur les marchés peut avoir un impact important sur le fonctionnement des réseaux d’électricité actuels qui devront ajuster leur fonctionnement à la nouvelle demande massive d'électricité provenant des VEs. Par contre, les VEs peuvent aussi être vus comme une nouvelle opportunité dans le futur marché d’électricité. En effet, une décharge/recharge intelligente peut permettre aux VEs d’être un support de stockage d’électricité important, valable et permanent dont la capacité croit en fonction du nombre des VEs. Ce projet a comme objectifs de : (1) proposer un schéma d’interaction V2G intégrant des techniques permettant de : (a) adapter le fonctionnement de la grille aux contraintes temporelles et spatiales relatives au processus de recharge des VEs dans un milieu résidentiel. (b) optimiser les opérations de chargement/déchargement entre les VEs et la grille dans les deux sens. (2) Proposer de nouveaux schémas de communication sans fil, entre les VEs et la grille intelligente loin des bornes de recharge, qui soient basés sur les standards de communications véhiculaires (VANET) ainsi que sur d’autres standards de communication à grande échelle. On introduira des techniques d’accès à la grille intelligente pour négocier le coût de recharge/décharge des batteries et aussi pour planifier la motivation du consommateur afin de favoriser la stabilité de la grille / In the next years, electric vehicles (EVs) will make their appearance on the market. This even will have significant impact on the operation of the existing electricity networks which have to be updated to reach the new massive electricity demand. Moreover, EVs can also be seen as a new opportunity in the future electricity market. Indeed, a smart EV discharge / charge process can be enable a large power, valuable, and permanent storage media. The project's objectives are to: (1) propose a scheme integrating V2G interaction techniques: (a) adapt the grid functionality to the temporal and spatial constraints to the EV charging process in a residential setting. We seek to satisfy different power demands of EVs connected to the mains without stressing too smart grid, (b) optimizing the loading / unloading between EVs and the grid in both directions. (2) To propose new patterns of wireless communication between EVs and smart grid away from the charging stations, which are based on the standards of vehicle communications (VANET), as well as other communication standards on a large scale. Access to smart grid technologies will be introduced to negotiate the cost of charge / discharge, the waiting time of service, locations and also to plan consumer motivation to promote the grid stability

Cette thèse se concentre sur la fiabilité des batteries lithium pour des applications véhicules à faible émission en CO2. Pour cela, des méthodologies de caractérisation électriques et thermiques, des protocoles et des tests de vieillissement de batteries lithium sous différents modes (cyclage actif, calendaire simple et cyclage/calendaire) ont été mis en œuvre.Une première partie de ces travaux de thèse s’attache à la modélisation et à l’estimation des états de charge et de santé de la batterie.La deuxième partie est consacrée à l’étude du vieillissement calendaire des batteries lithium utilisant la spectroscopie d’impédance comme méthode de caractérisation. Ensuite, une méthode originale pour l’évaluation de l’état santé de la batterie est proposée. Elle est basée sur l’exploitation de l’étape de charge à tension constante lors d’une recharge complète et est donc bien adaptée à une intégration au sein d’un système de gestion de batterie. L’approche introduite est validée sur des données réelles de vieillissement allant jusqu’à deux ans de test.Enfin, une étude du phénomène de régénération de la capacité suite à un vieillissement des batteries de type combiné cyclage/calendaire est menée. Cette dernière partie constitue une ouverture pour le développement de stratégies d’usage des batteries lithium en incluant leur comportement thermique. / In this thesis, we focus on the reliability of lithium batteries used for automotive applications. For this purpose, electric and thermal characterization methodologies as well as aging tests under several modes (calendar, power cycling, calendar/power cycling) are carried out.In a first part of the work, battery modeling and battery state estimation (state-of-charge and state-of-health) are considered.Then, based on periodic characterization from electrochemical impedance spectroscopy, calendar aging is investigated. Next, we proposed an original process for precise battery state-of-health determination that exploits a full recharge and mainly constant-voltage charge step which allows easily its integration within a battery management system. Our experimental results, up to two years real-life data, confirm effectiveness of our technique.Finally, we study the capacity recovery phenomenon occurring due to combined battery aging (calendar/power cycling). This final part is almost dedicated to introduce strategies for battery use presenting at the same time a thermal behavior study.

Une des voies d’amélioration des véhicules hybrides et électriques est l’utilisation de moteurs tournant plus vite, jusqu’à plus de 42.000tr/min. Le but est d’augmenter la densité de puissance et le rendement des groupes motopropulseurs. Pour utiliser ces moteurs de nouveaux réducteurs mécaniques doivent être développés. Cela doit se faire sans générer de surcoût important face aux solutions utilisées à basse vitesse et en assurant un niveau de performance énergétique élevé. Cette thèse se situe en amont de la phase de conception d’un réducteur haute vitesse lubrifié par barbotage. Elle a pour but d’identifier les problèmes d’échauffement et de pertes de puissance ainsi que de proposer des pistes d’amélioration énergétique. Ce travaille propose la modélisation thermomécanique de l’étage grande vitesse (GV) du réducteur, réalisée à l’aide de la méthode des réseaux thermiques. Ce modèle couple les pertes de puissance avec les températures. Une attention particulière est portée sur la modélisation des roulements de l’arbre GV. Un nouveau modèle thermomécanique de roulement est développé. Les pertes par barbotage deviennent importantes à grande vitesse. Une méthode permettant de fortement les réduire est caractérisée. / A way to improve both electric and hybrid vehicles is to use high speed motors, operating over than 42.000rpm. The goal is to increase the power density and the efficiency of powertrains. Using these new motors, new gearboxes should be developed. This must be done without generating significant additional cost regarding already mastered low speed solutions. High energy performance level also has to be maintained. This PhD comes before the design phase of a high-speed oil bath lubricated gearbox. It aims to identify the warm-up and power loss problems, and propose ways to improve efficiency. This work proposes a thermomechanical modelling of the gearbox’s first stage, using the thermal network method. This model links power losses with temperatures. Particular attention is paid to high speed bearing modelling. A new thermomechanical model of rolling element bearing is developed. As churning losses being significant at high speeds, a method to greatly reduce this power loss is characterized.

Les principaux objectifs de cette étude est de fournir les informations essentielles sur le comportement thermique des cellules de batterie pour une application automobile, en particulier pour les véhicules électriques et hybrides. Cette application est notre cadre de travail expérimental afin de développer un modèle électro-thermique 3D efficace pour les cellules lithium-ion et du pack batterie. L'étude expérimentale se concentre sur la distribution de température en différents points de la surface de la cellule, de l'impact de différents débits constants, et également l'importance du système de refroidissement sur le comportement en température de la batterie. Cette thèse met en évidence le comportement de température de la cellule dans des conditions de décharge agressive et de l'impact de l'empilement de plusieurs cellules à l'intérieur de la batterie. Une étude de cas sur le comportement thermique de la cellule dans une application véhicule électrique hybride série est proposée pour compléter les cycles de conduite en utilisant différentes stratégies de refroidissement. En outre, l'étude expérimentale est étendue à la caractéristique du comportement de refroidissement par flux d'air à l'intérieur de la batterie, en utilisant le système d'image de particules (PIV). Le modèle électro-thermique CFD 3D est développé sous un logiciel Open Source OpenFOAM. L'objectif principal est d'obtenir un modèle relativement simple mais précis avec un temps de calcul raisonnable. Le modèle proposé, estime la production de chaleur, à partir du courant de la batterie et la résistance interne en fonction de la température, le transfert de chaleur par conduction, convection forcée et rayonnement. / The main objectives of this study are to provide the essential information on the thermal behaviour of the battery cells for automotive purpose especially for EVs and HEVs through experimental work in order to develop an effective 3D electro-thermal model for lithium ion battery cells and pack. The experimental study is focusing on the distribution of temperature at various points of the battery cell surface, impact of different constant discharge rates, and also the importance of cooling system on the battery temperature behaviour. This thesis highlights the battery cell temperature under abuse discharge condition and the impact of stacking the battery cells inside the battery pack. Impact of different temperature and SOC on the battery cell internal resistance and a case study on the battery cell thermal behaviour used in a series HEV to complete driving cycles using different cooling strategies are also studied. Furthermore, the experimental study is extended to the characteristic of the cooling air flow behaviour inside the battery pack, using particulate image velocimetry (PIV) system. The 3D electro-thermal CFD model is implemented in a free, open source CFD software package called OpenFOAM. The target is to have a relatively simple but accurate model with reasonable computation time. This proposed model considers the heat generation from battery current and internal resistance as a function of temperature, heat transfer through conduction, forced convection and radiation.

Durant ces dernières années, l'intérêt pour les technologies des véhicules à faibles émissions de carbone a fait un bond important à travers l'Union européenne (UE) et au-delà, encouragé en cela par les gouvernements et les constructeurs automobiles. De grands espoirs ont été mis plus récemment dans les véhicules électriques (VE) et les véhicules électriques hybrides (VEH) en tant que technologies clés pour atténuer le changement climatique, améliorer la sécurité énergétique et favoriser une nouvelle branche de l'industrie dans le secteur automobile. Ainsi, l'électrification des transports a été considérée comme une stratégie clé pour réduire les émissions de CO2 dans le secteur des transports. Le principal défi est d’augmenter l’autonomie des véhicules (ce qui a toujours été au coeur de la concurrence des industries du transport), ainsi que la durée de vie des volumineuses et coûteuses batteries. Par conséquent, ceci indique que le rendement du convertisseur de puissance est un des points clés à développer pour les générations des véhicules électriques à venir. L’autre paramètre influant est la qualité de la tension et du courant (en particulier la suppression des harmoniques basses fréquences) qui permet de réduire la taille des filtres d'entrée et de sortie de ces convertisseurs. L'objectif de cette thèse est de parvenir à un meilleur rendement en proposant de nouvelles structures de convertisseur de puissance et des commandes vectorielles modifiées ; le choix de deux onduleurs alimentant un moteur ouvert aux deux extrémités. Après l'analyse étape par étape, modèle théorique, simulation et enfin une mise en oeuvre expérimentale, il a été constaté que les nouvelles méthodes proposées sont compétitives et peuvent s’appliquer aux cas des VEH et des VE afin d’apporter des caractéristiques supérieures en termes d’efficacité et de qualité de tension et de courant. / Over the last decade, the interest for low-carbon vehicle technologies has surged among both governments and automotive manufacturers across and beyond the European Union (EU). Great hopes have been put, first, on biofuel vehicles and more recently on electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) as key technologies to mitigate climate change, enhance energy security and nurture new industry branches within the automotive sector. So electrification of vehicles has been seen as a key strategy to reduce CO2 emissions from the transport sector. The main challenge toward EVs and HEVs is to keep driving for longer distance (which has been always fields for competition among traction industries) as well as lifetime battery cells as storage system. As a result, these indicate importance of power converter efficiency as a key gate for next generations of these up-coming vehicles. The next parameter is the quality of output voltage/current (especially by suppressing low-order harmonics) to reduce the size of filtering. The aim of this thesis is to achieve better efficiency and output voltage/current Total Harmonic Distortion (THD) by proposing novel power converter and associated Pulse Width Modulation (PWM) methods while imposing modification on power converter topology. As a result, dual-inverter is proposed to supply open-end motor from both sides. To this aim, three PWM methods are suggested as: The first one, Modified Space Vector Modulation (MSVM) for dual-inverter supplied by single dc source, improves efficiency by 4-5% (while having lower switching losses), and reduces Common Mode Voltage (CMV) levels by 66%, as well. The voltage/current harmonics are analytically analyzed which shows mainly better performance. Effective switching frequency is also reduced by 66% due to the reduction of number of commutations. In the second one, Near State PWM (NSPWM) is adapted for dual-inverter supplied by single dc source in order to eliminate triplen harmonics (therefore Zero Sequence Voltage, ZSV) and improve efficiency (by 3-4%) compared to Space Vector Modulation (SVM). Additionally due to avoiding use of zero vectors, CMV is improved by 66%. While having 8 commutations instead of 12 in SVM, effective switching frequency is improved by 33%. And finally, the third proposed method deals with NSPWM for dual-inverter supplied by two isolated dc sources wherein efficiency and CMV levels show the same performance as previous one. However, in this method, voltage THD is highly reduced compared to SVM. Triplen harmonics of the output voltage are inherently suppressed by the structure. These 3 proposed methods are analytically studied and their performances are step by step simulated in Matlab/Simulink environment. Then the methods are implemented in dualinverter fed open-end motor in laboratory setup; and the results are compared with these of SVM. Finally, it is found that novel proposed methods are so competitive solutions to be applied in HEVs and EVs and bring superior efficiency and voltage/current harmonic features.

Dans le cadre du transport de marchandises par voie ferroviaire, un certain nombre de verrous limitent les efforts consentis pour un fret plus "propre". Des améliorations doivent être faites afin de limiter le nombre de locotracteurs assurant les charges/décharges de marchandises en bout de ligne. Dans cette perspective, FEMTO-ST et Alstom Transport ont pour objectif de concevoir et développer un système de gestion d'énergie pour locomotive électrique hybride. Composée d'un groupe électrogène couplé à des accumulateurs électrochimiques et des super-condensateurs, la locomotive électrique hybride permet d'accroître la souplesse et l'efficacité du transport ferroviaire électrique, tout en réduisant encore son impact environnemental. Cette étude a consisté dans un premier temps à développer une modélisation macroscopique de la chaîne de traction électrique hybride et à proposer une structuration de la commande avec l'identification des capteurs matériels et logiciels nécessaires au contrôle optimal de la chaîne de traction. La caractérisation expérimentale des moyens de stockage a permis l'amélioration comportementale et dynamique des modèles correspondant. Dans un second temps, le contrôle de la tension de sortie d'un hacheur dévolteur a permis d'étudier l'application de la logique floue de type-2 (intervalle et générale) dans le cas d'applications industrielles (relativement simples). Enfin, une gestion innovante des flux d'énergie au sein d'un système plus complexe: locomotive électrique hybride, a été développée. Mettant en œuvre la logique floue de type-2 et des algorithmes s'inspirant de la théorie de l'évolution, cette gestion d'énergie optimale opère en temps réel et sans connaissance à priori du cycle de conduite. La gestion fréquentielle ainsi que le contrôle des états de charge des sources secondaires du véhicule contribuent également à leur bon fonctionnement. / To achieve a "greener" freight transport, efforts are still needed to overcome some technological barriers. New improvements must be carried at to limit the shunting locomotives' use intended for the goods' load/unload. Considering this aim, FEMTO-ST and Alstom Transport decided to conceive and develop an energy management strategy system for hybrid electric locomotives. Such locomotives include a diesel driven generator set which is coupled with batteries and ultra-capacitors. The architecture aims at improving the flexibility, the effectiveness of the electrical railway transport and at reducing the environmental impact of these activities again. Firstly, the study consists in implementing a macroscopic modelling of the hybrid electric powertrain. Then, the control is optimally designed by identifying the hardware and software sensors of the powertrain. The dynamics and the behavior of the secondary sources' models are improved thanks to their experimental characterizations. Secondly, the use of Type-2 Fuzzy Logic (interval and general) controllers permits to study their efficiency in the control of a very simple industrial system: the output voltage of a buck converter. Lastly, based on the obtained results, an innovative management of the system's energy flows is developed in the case of the hybrid electrical locomotive. The use of the type-2 fuzzy logic and evolutionary algorithms permit to optimally perform a real time energy management strategy without a priori knowledge of the duty cycle. The frequency approach and the secondary sources' state of charge control contribute to their efficient use.