Le projet e-MECA : electro-Mécanique Embarquée à Compacité Améliorée, dont l’objectif est de concevoir une machine ultra compacte et ultra rapide à une puissance utile de 12Kw, trouve son application dans les véhicules mild et full hybrides. Ce type de machine présente en effet un fort potentiel de déploiement industriel en très grandes séries à des prix abordables. Pour ces machines, les pertes de charge liées aux écoulements dans le jeu constituent des enjeux essentiels pour les constructeurs. La présente étude porte sur le moyen d’identifier de ces pertes des machines électriques ultra-compactes et ultra-rapides (50 000 rpm).Cette thèse a pour objet l’étude des pertes aérauliques dans l’espace entre le rotor et le stator d’une machine électrique ultra-rapide (≈ 250 m/s) et ultra-compacte (0,5mm - 2mm d’entrefer), en cherchant à répondre aux spécifications élaborées par nos partenaires dans le cadre du projet e-MECA. / The project e-MECA: electromechanical engineering Embarked in Improved Compactness, the objective of which is to design a machine with a small gap and high speed rotor with a useful power of 12Kw, finds its application in mild and hybrid vehicle. This type of machine indeed presents a high potential in the industrial deployment in very big series to affordable prices. The losses in these machines are linked to the flow in the gap has a significant importance for the manufacturers. This study aims to identify these losses for the ultra-compact and ultrafast electric machines (50 000 rpm).This thesis is a study of the air losses in the space between the rotor and the stator of an ultra-fast electric machine (≈ 250 m/s) and ultra-compact (0,5mm - 2mm of air-gap). This study was done to meet the specifications that had been elaborated by our partners in the e-MECA project.

DC power systems have a constant DC-link voltage, as well as the advantages such as high stability, high efficiency, small size and light weight; therefore, they are widely used in stand-alone power systems, e.g. the power systems in aircrafts and automobiles, isolated wind power generation systems, etc. Permanent-Magnet Synchronous Generators (PMSGs) possess the advantages including high power density, high efficiency, and high control precision, and have obtained great attention and have been widely used in military, inductry, and daily life. Pulse Width Modulation (PWM) rectifier has been one of the main power conversion topologies thanks to its full controllability. The key point in the dissertation is to study the DC power system consisting of a PMSG to be the main power input device and a PWM rectifier to be the main power conversion topology. The objective of control is to output a constant DC-link voltage in a wide PMSG speed range. Since the PM-excited flux linkage is constant, when the PMSG is working at a high speed, field-weakening is needed to stabilize the stator voltage, further to stabilize the DC-link voltage. Hybrid excitation may be used to realize the field-weakening, but it has complex structure; no auxiliary devices are needed in the field regulation with the armature current, and can be easily realized with the PWM recifier and field-regulation control strategies. In this dissertation, the typical applications of the DC power systems are first introduced, with a comprehensive analysis and elaboration on the relevant research throughout the world. The research work is focused on the DC power system and its stabilization control, which is composed of a PMSG and a PWM rectifier. The involved research content in this dissertation includes the following aspects: 1. DC power system design with a wide-speed-range PMSGAs for the common DC power systems, PMSG with high power density, high efficiency is selected to the system power input device, usually with a variable-speed prime mover. The PWM rectifier with fully controlled switches is chosen to be the power conversion topology, which converts the AC power generated by PMSG into DC power, and supplies the DC load after the DC filter. The matching between the system requirements and the generator parameters are determined. Through finite-element analysis (FEA), a PMSG with strong field-weakening ability and suitable for wide-speed-range operation has been designed and manufactured, and the system test bench has been built based on dSPACE. 2. Study, analysis, optimization and experimental verification of the traditional control strategiesAccording to the PMSG designed in part 1, the DC-link model has been built, as well as the control model of the traditional control strategies, e.g. field-oriented control (FOC), direct torque control (DTC), and the effectiveness of the DC-link voltage stabilization control has been verified in a wide speed range. The theory of active damping has been proposed and analyzed, and has been utilized in the DC-link voltage control. When the load on the DC-link changes, the dynamic response of the DC-link voltage has been greatly accelerated, and it recovers quickly to its reference value. In the meantime, the performance influence of the prime mover speed on the actual system test bench should be considered. Finally, the performance of FOC and DTC has been compared and analyzed. 3. Analysis and experimental verification of the direct voltage control (DVC), and the comparative study of all the studied control strategiesThe derivation process of DVC has been theoretically analyzed: the inner current loops in FOC have been eliminated to obtain the direct voltage field-oriented control (DVFOC); the reference value of d-axis voltage in DVFOC has been replaced by the product of the stator voltage calculated by the speed and the load condition, and the sine value of load angle generated by the DC-link voltage PI controller, in order to form the DVC-1. Further, the DC-link voltage PI controller directly outputs the reference value of load angle and it becomes DVC-2. Finally, the comparative study has been carried out among all the studied control strategies. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La diminution de l’impact environnemental des moteurs électriques conduit à des améliorations du rendement et de la compacité. Puisque la taille de la transmission est réduite, des problèmes d’échauffements peuvent apparaître car la surface d’échange avec l’environnement est fortement réduite, diminuant les possibilités de refroidissement. L’ensemble du système doit être caractérisé en termes de pertes de puissance et de capacité de transfert thermique pour déterminer si la température maximale en fonctionnement correspond aux exigences de fiabilité tout au long de la durée de vie du système. Cette thèse propose un modèle thermique d’une transmission avec des engrenages spiraux coniques, lubrifiée par bain d’huile. Le modèle thermique utilise la méthode des réseaux thermiques. Par conséquent, une estimation précise des pertes et des transferts thermiques entre les différents éléments est nécessaire. Une revue des méthodes existantes est présentée, indiquant que les pertes par barbotage des engrenages spiraux coniques ne sont pas totalement maîtrisées, entraînant la conduite d’une série d’essais sur un banc d’essai dédié. Cette étude se conclue sur l’application du modèle à la transmission ainsi que la proposition de points d’améliorations. / Environmental concern leads to improvements in both efficiency and power density of electrical motors. For compact transmissions, thermal issues can become critical: the surface available for thermal exchange with the environment is reduced, minimizing the possibility to cool down the elements. To ensure the system reliability, the operating temperature for each operating condition must not exceed the required maximum oil temperature. In order to evaluate its thermal behavior, the whole system should be therefore evaluated in terms of power losses and heat transfer. This PhD proposes a thermal model of an existing oil bath lubricated gear unit with spiral bevel gears. The thermal model uses the thermal network method, which needs an accurate prediction of power losses of the different elements and heat transfer between them. A review of the existing methods is presented. Since the churning losses of spiral bevel gears has never been fully characterized, specific tests have been done on a dedicated test bench. The last part of this work suggests possible improvements on the gearbox design.

The awareness of the human responsibility in global warming has led to various private and public initiatives to reduce the emission of greenhouse gases, up to international level. In this context the development of renewable technologies in two sectors having an important ecological footprint, i.e. production of electricity and transportation, is targeted.In the firstly mentioned sector, the progression of wind energy is at present the most rapid among all renewable energies. But wind turbines still suffer from a global lack of reliability and accessibility compared to classical power plants, leading to potentially important production losses and repair costs. The first part of the present work focuses on the improvement of the electrical chain reliability by the combination of an estimator and a fault-detection algorithm to achieve sensor-fault tolerance, taking benefit from the already available measurement redundancies on doubly-fed-induction-machine (DFIG) drives.Estimators and sensor-fault detection and isolation (FDI) in DFIGs have been the object of many research papers. However, most of them only consider one unique type of measurement and only a few works consider magnetic saturation. A new combination of a closed-loop observer with a cumulative-sum-based FDI technique, considering magnetic saturation and using limited computational resources is proposed here to estimate electromagnetic torque, rotor currents and position for sensor-fault detection and tolerance. This algorithm is then validated in steady state and in case of moderate transients, unbalanced conditions and misestimation of DFIG parameters. The estimator can also start on the fly during the start-up process of the generator.In the transportation sector, new hybrid and full-electric vehicles start to be visible on the roads, but still need important technological improvements in terms of autonomy, performances, but also produced noise and vibrations. The objectives of the second part of this doctoral thesis are related to this last challenge and consist of the experimental investigation of noise, vibration and harshness (NVH) aspects of an 8/6 switched-reluctance machine (SRM) designed for an electrical vehicle (EV).The NVH issues of SRMs, limiting their usage in automotive and other domains, have been the subject of various papers. However, most of them focus on modal analysis or detailed phenomena, while a global evaluation of NVH aspects of SRMs in normal working conditions is rarely made, as well as the use of reproducible sound metrics. A global and relatively fast experimental method to assess the evolution of noise and vibration is proposed. Tests are performed in transient regime, using continuously varying working conditions when possible, for the excitation of a large band of frequencies. The resulting current, radial vibration and acoustic noise are presented as spectrograms for an easy distinction of affected and unaffected frequencies and compared with the associated loudness and sharpness.Furthermore, the implementation of a new faster-sampled current-hysteresis controller has allowed to improve the quality of the control and of the acoustic noise by reducing the current-ripple amplitude and the excitation of resonances. The various tests show that the switching frequency has to be high enough to avoid exciting the ovalization mode of the SRM, but not too high to avoid producing a too sharp noise. The ripple amplitude also has to be considered to limit the loudness. Therefore, soft chopping, or a reduced DC-bus voltage at low speeds, has to be preferred with a relative small hysteresis bandwidth. Finally, the case of an open-phase fault has been investigated showing amplified even current orders in the vibration and acoustic-noise plots. / La prise de conscience de la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique est à la source de nombreuses initiatives publiques et privées parfois internationales pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement de technologies durables dans deux secteurs à forte empreinte écologique est visé: la production d'énergie électrique et les transports. Dans le premier secteur, la progression de l'éolien est à présent la plus rapide parmi toutes les énergies renouvelables. Cependant, les éoliennes souffrent d'un manque global de fiabilité et d'accessibilité par rapport aux centrales électriques classiques, ce qui conduit potentiellement à des pertes de production et des coûts de réparation importants. La première partie de ce travail se focalise sur l'amélioration de la chaîne électrique en la rendant tolérante aux défauts de capteurs au moyen de la combinaison d'un estimateur et d'un algorithme de détection de défauts, tirant avantage de la redondance de mesures déjà présente sur les entraînements à machines asynchrones à double alimentation (MADA). Les estimateurs et la détection et l'isolation de défauts de capteurs sur les MADA a fait l'objet de nombreuses publications scientifiques. Cependant, la plupart d'entre elles considèrent un seul type de mesure et peu de travaux prennent en compte la saturation magnétique. Une nouvelle combinaison d'un observateur et d'un algorithme de détection de défauts de type ‘CUSUM', considérant la saturation magnétique et nécessitant une puissance de calcul limitée, est proposée dans cette thèse pour l'estimation du couple électromagnétique, des courants et de la position rotoriques en vue d'obtenir la tolérance aux défauts de capteurs. Cet algorithme est validé en régime permanent et cas de transitoires modérés, de tensions du réseau déséquilibrées et d'erreurs d'estimation des paramètres de laMADA. L'estimateur est aussi capable de démarrer seul lors du démarrage de la génératrice. Dans le secteur des transports, des véhicules hybrides et électriques commencent à être visibles sur les routes, malgré que des progrès technologiques importants en termes d'autonomie, de performances, mais aussi de bruits et vibrations soient encore nécessaires pour une utilisation plus intensive. L'objectif de la deuxième partie de cette thèse se rapporte à ce dernier défi et consiste à analyser les aspects acoustiques et vibratoires d'une machine à réluctance variable 8/6 conçue pour propulser un véhicule électrique. Ces problèmes acoustiques et vibratoires, qui limitent notamment l'usage de telles machines dans des applications de propulsion, ont été l'objet de divers articles scientifiques. Cependant, la plupart d'entre eux sont focalisés sur des analyses modales ou de phénomènes particuliers, alors qu'une évaluation globale des problèmes de bruit et de vibration des machines à réluctance variable en conditions normales de fonctionnement est rarement proposée, de même que l'utilisation de critères de qualité sonore. Une méthode expérimentale globale et relativement rapide pour évaluer l'évolution du bruit et des vibrations est proposée dans ce travail. Les essais sont réalisés en régime transitoire pour exciter une large bande de fréquences et en faisant varier continuellement, quand cela est possible, les conditions de fonctionnement. Les courants, vibrations radiales et bruits acoustiques résultants sont présentés sous formes de cartographies couleur pour une distinction aisée des fréquences affectées et non-affectées et comparés aux niveaux calculés de bruyance et d'acuité correspondants. Par ailleurs, la mise en place d'un nouveau régulateur à hystérèse en courant à plus grande fréquence d'échantillonnage a permis d'améliorer la qualité de la commande et du bruit acoustique associé en réduisant l'amplitude des oscillations de courant et l'excitation des fréquences de résonance. Les essais montrent que la fréquence de commutation doit être suffisamment élevée pour éviter l'excitation du mode d'ovalisation de la machine, mais pas trop pour éviter une trop grande acuité du son produit. L'amplitude des oscillations doit aussi être considérée pour limiter la bruyance. En conséquence, une commande en ‘soft chopping', ou une tension réduite du bus continu à basse vitesse, doit être combinée à une bande d'hystérèse relativement faible. Enfin, le cas d'un défaut de phase ouverte a été étudié et a montré une amplification des ordres pairs du courant dans les spectres vibratoires et acoustiques. / De bewustwording van de menselijke verantwoordelijkheid in de opwarming van de aarde heeft tot verschillende private en publieke initiatieven geleid om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. In deze context is de ontwikkeling van hernieuwbare technologieën hoofdzakelijk gericht op twee sectoren met een belangrijke ecologische impact: elektriciteitsproductie en transport.In de eerste sector ontwikkelt windenergie zich op dit moment sneller dan alle andere hernieuwbare energieën. Maar windturbines lijden nog steeds aan een gebrek aan betrouwbaarheid en toegankelijkheid, en dus aan potentieel hogere productieverliezen en herstelkosten, als ze met klassieke krachtcentrales worden vergeleken. In het eerste deel van deze doctoraatsthesis wordt op de verbetering van de elektrische keten geconcentreerd door de combinatie van een schatter en een foutdetectie- en -isolatiealgoritme (FDI-algoritme) om sensorfouttolerantie te verkrijgen dankzij de reeds aanwezige meetovertolligheid op dubbelgevoede inductiemachine (DFIG) aandrijvingen.Schatters en sensor-FDI-algoritmen zijn het onderwerp van vele wetenschappelijke artikelen geweest. Meestal wordt maar één sensortype beschouwd en met de magnetische verzadiging wordt niet vaak rekening gehouden. Een nieuwe combinatie van een schatter met gesloten terugkoppeling en een FDI-techniek gebaseerd op het ‘cumulative-sum' principe is voorgesteld. Zo kan het elektromagnetische koppel, de rotorstromen en positie worden geschat voor sensor FDI en fouttolerantie met beperkte rekenkosten en zonder de magnetische verzadering te verwaarlozen. Het algoritme wordt in stabiele toestand gevalideerd, maar ook in het geval van gematigde transiënte situaties, onevenwichtige netwerkomstandigheden en een verkeerde schatting van DFIG parameters. Het kan ook vanzelf starten tijdens de startprocedure van de generator.In de vervoersector beginnen hybride en elektrische voertuigen op de wegen te rijden. Maar vooreen intensiever gebruik van zo'n wagens zijn er nog technologische verbeteringen nodig met betrekking tot autonomie, prestaties en ook geluid en trillingen (NVH). Het tweede deel van de thesis betreft die laatste uitdaging en bestaat uit het experimentele onderzoek van geluid en trillingen op een 8/6 variabelereluctantiemachine (SRM) ontwikkeld voor elektrische voertuigen.De NVH-problemen van SRM's beperken hun gebruik in automobiele en andere toepassingen enonderzoek wordt erover voortgezet. Vele wetenschappelijke artikelen focussen toch op modale analyse of gedetailleerde fenomenen terwijl een globale evaluatie van NVH aspecten in SRM's in gewone operatiecondities nauwelijks wordt gemaakt. Hetzelfde geldt voor het gebruik van reproduceerbare geluidsmetrieken. Een globale en vrij vlugge experimentele methode is hier voorgesteld om het NVH gedrag te schatten. Testen worden in transiënte situaties uitgevoerd om een brede frequentieband te exciteren, indien mogelijk met voortdurend variërende condities. De gemeten fasestroom, trilling en geluid worden als kleurmappen geplot om het verschil tussen beïnvloede en niet geaffecteerde frequenties te vergemakkelijken en met de berekende akoestische luidheid en scherpte vergeleken.Bovendien heeft de implementatie van een sneller bemonsterd stroomhysteresisregelaar geleid tot een verbetering van de regulatie- en akoestische kwaliteit door de amplitude van de stroomrimpeling en de excitatie van resonantiefrequenties te verminderen. De testresultaten tonen dat de schakelfrequentie voldoende hoog moet zijn om de excitatie van de ovale vervormingsmode te vermijden, maar niet te hoog om de scherpte van het geluid te beperken. De amplitude van de rimpel beïnvloedt ook de luidheid en daarvoor moet in aanmerking worden genomen. Bijgevolg zou ‘soft chopping'mode, of een lagere spanning op de DC-bus bij lage toerentallen, met een relatief klein hysteresisband beter worden gebruikt. Uiteindelijk wordt het geval van een openfasefout bestudeerd en onthult versterkte gelijke frequentievolgorden in de trilling- en geluidplots. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part.<p><p>Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements.<p><p>Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs.<p><p>Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées.<p><p>Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques.<p><p>D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D.<p><p>Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de l'exploitation de systèmes moteurs-roues (machines électriques intégrées à la roue) pour le contrôle de la dynamique véhicule. Cette thèse est issue d'un co-financement (numéro 186-654, 2010-2013) entre le Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) et l'Institut Français du Pétrole et Énergies Nouvelles (IFPEN). Les avantages apportés par l'utilisation du moteur électrique sont avérés et de nouvelles techniques de contrôle sont développées pour optimiser son utilisation. Les lois de contrôle basent généralement sur la grandeur principale du moteur électrique: le couple transmis, qui peut être mesuré via le courant consommé. Une autre caractéristique importante du moteur électrique est son temps de réponse, avec le fait qu'il peut produire des couples négatifs, pour ralentir le véhicule, tout en stockant l'énergie. La nouveauté du présent travail est de considérer le moteur-roue électrique comme seul signal de contrôle dans des phases d'accélération et des phases de ralentissement, simplifiant l'architecture de la conception du véhicule et des lois de contrôle. Pour répondre à la demande conducteur tout en préservant un comportement sain du véhicule, des stratégies d'estimation de la limite d'adhérence seront présentées. En fonction de cette adhérence maximale disponible entre la route et les pneus, un couple adéquat sera calculé pour assurer un comportement stable dans des phases d'accélération aussi bien que de freinage. L'aspect critique étudié dans ce travail est la non-linéarité des caractéristiques d'interaction entre la route et le pneu et la complexité de son estimation dans des conditions variables. La stratégie d'estimation devra détecter tous les changements d'adhérence de route et la loi de contrôle calculée devra maintenir la stabilité véhicule même lorsque la friction maximale change. Certaines formes de perturbation et de bruit seront également prises en compte afin de tester la robustesse des approches d'estimation et de contrôle proposés. Parmi les systèmes de sécurité active les plus importants en phase d'accélération, le système de contrôle de traction (TCS) rétablit la traction si les roues commencent à patiner et le programme de stabilité électronique (ESP) intervient pour prévenir une perte menaçante du contrôle latéral du véhicule. Dans le cas du freinage, le système décisif est le système d'antiblocage (ou ABS), qui empêche le blocage des roues. On peut trouver d'autres systèmes embarqués, comme le système de distribution de force de freinage électronique (EBD), qui assure une distribution optimale de la force de freinage transmise aux roues, pour éviter de déraper et assure un ralentissement stable du véhicule. Les systèmes embarqués qui fournissent les estimations doivent être robustes aux bruits de mesure et aux perturbations. A fortiori, ces calculs doivent être faits en temps réel, donc une complexité réduite et une réponse rapide de la loi de contrôle sont nécessaires. Enfin, l'environnement dans lequel le véhicule fonctionne est dynamique, les caractéristiques d'adhérence peuvent varier en fonction de l'état de la route et de la météo. Ainsi, on ne peut prévoir les réactions du conducteur pouvant influencer la réponse globale du véhicule dans des situations d'urgence. Le contrôleur devrait prendre en compte tous ces aspects pour préserver un comportement stable du véhicule. Bien que le contrôle latéral du véhicule présente une importance majeure dans la stabilité globale du véhicule, le présent travail est concentré sur le contrôle longitudinal du véhicule, puisqu'il représente le point de départ de la dynamique véhicule. / The main objective of the present thesis focuses on the integration of the in-wheel electric motors into the conception and control of road vehicles. The present thesis is the subject of the grant 186-654 (2010-2013) between the Laboratory of Signals and Systems (L2S-CNRS) and the French Institute of Petrol and New Energies (IFPEN). The thesis work has originally started from a vehicular electrification project, equipped with in-wheel electric motors at the rear axle, to obtain a full electric urban use and a standard extra-urban use with energy recovery at the rear axle in braking phases. The standard internal combustion engines have the disadvantage that complex estimation techniques are necessary to compute the instantaneous engine torque. At the same time, the actuators that control the braking system have some delays due to the hydraulic and mechanical circuits. These aspects represent the primary motivation for the introduction and study of the integration of the electric motor as unique propelling source for the vehicle. The advantages brought by the use of the electric motor are revealed and new techniques of control are set up to maximize its novelty. Control laws are constructed starting from the key feature of the electric motor, which is the fact that the torque transmitted at the wheel can be measured, depending on the current that passes through the motor. Another important feature of the electric motor is its response time, the independent control, as well as the fact that it can produce negative torques, in generator mode, to help decelerate the vehicle and store energy at the same time. Therefore, the novelty of the present work is that the in-wheel electric motor is considered to be the only control actuator signal in acceleration and deceleration phases, simplifying the architecture of the design of the vehicle and of the control laws. The control laws are focused on simplicity and rapidity in order to generate the torques which are transmitted at the wheels. To compute the adequate torques, estimation strategies are set up to produce reliable maximum friction estimation. Function of this maximum adherence available at the contact between the road and the tires, an adequate torque will be computed in order to achieve a stable wheel behavior in acceleration as well as in deceleration phases. The critical issue that was studied in this work was the non-linearity of the tire-road interaction characteristics and its complexity to estimate when it varies. The estimation strategy will have to detect all changes in the road-surface adherence and the computed control law should maintain the stability of the wheel even when the maximum friction changes. Perturbations and noise are also treated in order to test the robustness of the proposed estimation and control approaches.

Pour résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques liés au nombre croissant de véhicules en circulation, deux approches sont envisageables : l'une est technologique et vise à améliorer les composants du véhicule ou son architecture, l'autre est comportementale et cherche à changer la manière d'utiliser les véhicules. Dans ce contexte, l'éco-conduite représente une méthode, applicable immédiatement, permettant à chaque conducteur de réduire sa consommation. L'objectif de cette thèse est donc l'analyse des gains potentiels de l'éco-conduite pour les différents types de véhicules existant : thermique, électrique et hybride. Ainsi, la première partie de ce travail se focalise sur une étude théorique visant à calculer les gains potentiels et à déterminer les règles d'éco-conduite, avant d'aborder dans un second temps une mise en situation plus réaliste et une intégration des algorithmes dans un système d'assistance pour le conducteur. En s'appuyant sur une modélisation énergétique des différents types de véhicules, la détermination et la comparaison du fonctionnement optimal se base sur l'optimisation du profil de vitesse pour des trajets connus. La programmation dynamique a été mise enoeuvre pour calculer la trajectoire optimale énergétique en tenant compte de la contrainte temporelle afin de ne pas pénaliser l'intérêt d'une conduite économe. Evidemment, l'intégration de l'éco-conduite doit, d'une part, tenir compte du trafic à proximité du véhicule et d'autre part, ne pas aboutir à une augmentation des émissions de polluants. Ainsi, en nous appuyant sur des modèles de suivi de véhicules (trafic), nous avons montré que les principes d'éco-conduite restent valables et conduisent de toute façon à des gains énergétiques. Concernant les contraintes d'émissions, des résultats expérimentaux nous ont conduit à adapter nos algorithmes pour répondre simultanément aux aspects écologiques et économiques. Enfin, les connaissances acquises ont été appliquées à la conception d'un système d'assistance testé sur un simulateur de conduite. / The transportation sector has been identified as one of many sources of today's energetic and environmental problems. With constantly increasing numbers of vehicles on the road, non-renewable fossil fuels are becoming scarce and expensive. In addition, due to the pollutant emissions of internal combustion engines, the transportation sector is a major producer of greenhouse gas emissions. To resolve these problems researcher are looking for technological solutions, such as more efficient components and alternative drive train technologies, on one hand. On the other hand, work is being done to ensure the most efficient utilization of available technological resources. Eco driving is one way to immediately reduce a driver's energy consumption. In this thesis the potential gains of eco driving for passenger vehicles will be discussed. The main objective of this work is to, first, identify and compare drive train specific, optimal vehicle operation. Secondly, the effect of real-life constraints on potential gains of eco driving is evaluated. In addition, an approach to integrate mathematical optimization algorithms in an advanced driver assist system for eco driving is proposed. Physical vehicle models are developed for three representative vehicles: the conventional, electric and power-split hybrid vehicle. Using real-life and standard drive cycles a baseline mission is defined by specifying trip and road constraint. Applying the dynamic programming algorithms the trajectory optimization problem is solved, minimizing energy consumption for the trip. The effect of traffic on potential gains of eco driving is discussed, considering a vehicle following situation. Integrating emission constraints in the optimization algorithm the environmental advantages of eco driving are discussed. Finally, the developed algorithms were integrated in a driver assist system. Experimental tests on a driving simulator were used to verify the effectiveness of the system, as well as driver acceptance.