Avec l'importance que prend le parc de véhicules électriques rechargeable (VER) depuis ces dix dernières années et au vu de l'important taux de croissance le caractérisant, se pose alors la question de l'infrastructure de recharge y inhérente. Une manière d'en tirer bénéfice et d'en minimiser l'impact consistera en l'agrégation en flotte et de gérer cette dernière en conséquence. L'objectif général de la thèse est de proposer et de développer des algorithmes décentralisés qui permettront de minimiser les impacts les plus critiques attendus d'une forte pénétration de VERs. La prise en compte de la réversibilité des chargeurs actuels et de leur fonctionnement sur les quatre quadrants, les algorithmes proposés, rendent également possible la fourniture de services système au réseau ; cependant il faut aussi tenir compte du caractère aléatoire de plusieurs variables telles que les heures d'arrivée te de départ des véhicules considérés, de l'état de charge initial entre autres. Cette thèse introduit d'abord une approche globale et une optimisation locale afin d'établir un benchmark solide à des fins d'évaluation des techniques développées dans ce travail. Vient ensuite ce qui est la contribution majeure représentée par deux méthodologies d'optimisation lesquelles sont basées sur la théorie des jeux évolutionniste. Toutes les deux techniques introduisent la notion d'équité dans la répartition des tâches et des ressources entre VERs et donnent plus de poids aux contraintes liées au rôle de l'usager/propriétaire du véhicule et de son implication dans la gestion de la demande. En outre, l'une de ces méthodes comprend des solutions de rechange pour intégrer la charge rapide dans le processus de planification, tandis que l'autre méthode permet au VER de fournir des services auxiliaires comme le remplissage des creux de demande, l'effacement de la pointe le pic de rasage, active, d'équilibrer la puissance active ou encore de fournir de l'énergie réactive. / With a stock of Plug-in electric vehicles (PEVs) under continuous grow during the last ten years, concerns have been raised in terms of their charging infrastructure and their integration into the electricity distribution systems. If PEVs are considered as a fleet, both their impact and benefit for the electrical power system can be substantial. The general objective of this thesis is to propose and develop decentralized algorithms allowing to mitigate the most critical impacts expected to occur with the integration of PEVs. Taking into account the reversibility of chargers, the proposed algorithms are intended to consider re-injection of energy, in order to provide ancillary services to the grid. Moreover, algorithms are supposed to consider the stochastic nature of variables like the arrival and departure of PEVs, their initial state of charge, among others. Under these premises and taking into account earlier contributions, this thesis introduces a centralized approach and a distributed optimization approach in order to have a solid benchmark for the justification of the most elaborate contributions of the last part of this work. After these first experiences, the most important contribution of this thesis is represented in two decentralized optimization methodologies that were developed in details based on concepts of evolutionary game theory. Both of them introduce the concept of fairness in the allocation of tasks and resources among PEVs, and give more weight to social constraints represented on the role of PEV owners in the load managing process. Furthermore, one of these methodologies includes alternatives to integrate fast charging rates in the scheduling process, while the other methodology allows PEVs to provide ancillary services like valley filling, peak shaving, active and reactive power balancing, and reactive power supply.

Les véhicules électriques présentent désormais une alternative crédible aux véhicules équipés demoteurs à combustion interne. Ils sont plus propres et plus confortables à l’utilisation. La gestion del’énergie d’un véhicule électrique est actuellement focalisée sur le fonctionnement du moteur, principalconsommateur d’énergie, sans tenir compte du confort de l’utilisateur.Le travail présenté dans cette thèse intègre la prise en compte des préférences utilisateur au seinde la gestion de l’énergie des véhicules électriques. La contribution est réalisée par un canevas logicielnommé ORQA. Dans un premier temps, les organes du véhicule sont caractérisés par leurs besoinsénergétiques et par les niveaux de qualité de service qu’ils proposent. Un gestionnaire d’énergie estensuite intégré au système logiciel du véhicule. Il se base sur les caractéristiques des organes et propose àl’utilisateur une solution de configuration de trajet prenant en compte ses préférences d’utilisation ainsique d’éventuelles contraintes de temps et d’énergie. Cette solution définit des contraintes d’utilisationsur le moteur et les organes de confort lors du déroulement du trajet.Le gestionnaire d’énergie est exécuté au sein des systèmes embarqués du véhicule dont les platesformessont fortement contraintes. Pour satisfaire celles-ci, il est primordial de proposer une configurationefficace du gestionnaire d’énergie. L’intérêt et la validité de l’approche employée sont démontrésau travers de la comparaison entre la configuration originelle et une configuration optimisée sur deuxvéhicules exemples. / Electric vehicles are nowadays a viable alternative to vehicles built around an internal combustionengine. They offer a cleaner and more comfortable driving thanks to the electric engine. The energymanagement of an electric vehicle is usually focused on the engine operation, the biggest energyconsumer, thus ignoring the user comfort.The contribution presented in this thesis allows for the consideration of the user preferences insidethe energy management of electric vehicles. It takes shape with a framework named ORQA. First,the vehicle devices are characterised by their energy requirements and the quality levels they offer.An energy manager based on the devices characteristics is then integrated into the software systemof the vehicle. The manager offers the user a solution to configure a trip request. The configuration isbased on the usage preferences and optional constraints over duration and consumption. The solutiondefines a set of constraints on the motor and on the comfort-related devices during the trip execution.The energy manager is executed in the embedded systems of the vehicle which platforms are highlyconstrained. Thus, the energy manager’s implementation is optimised to satisfy the execution platformconstraints. The interest and the validity of the chosen approach are attested by the comparison ofthe original configuration and an optimised configuration on two example vehicles.

L’utilisation des plusieurs sources d’énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l’adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur ’énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d’un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d’exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d’explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l’adoption d’un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d’élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l’ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l’utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l’alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l’alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l’échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l’architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l’étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d’une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l’espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction. / The use of many energy sources of different kind in a electrical vehicle (EV) needs the adoption of static converters. These can have the function of either conditioning energy or driving the electrical machines of the vehicle. EV’s generally have a DC bus of some hundred volts, whose stability is ensured by a set of boost converters, since the voltage level of the several sources is as low as about some tens of volts. During frequent start/stop phases of EV’s in urban mode, energy sources can feed the motors directly without using the converters. On the basis of this consideration this thesis proposes a novel converter topology adopting a variable DC voltage level. In this approach the lowest level of the DC bus is determined as a function of the voltages available from the sources and of the required speed (back fem of the traction motor). In this way the variable step-up voltage ratio is minimal at low speeds of the EV in urban mode and maximal at higher speeds in motorway modes. This would result in an energy efficiency improvement of the sources-motors system, especially in urban mode. On the other hand the use of this EV demands some constraints as for the service continuity of the main functions of the EV, particularly the energy supply.This thesis proposes a novel power converter topology between the sources (a Fuel Cell System associated with a pack of Super-capacitors) and the loads ( traction motor and auxiliary supply system). This converter adopts a variable DC bus voltage and a redundant supply of the traction motor. After presenting the proposed converter in the framework of the state of the art, the analysis and modelling of its DC/DC part is presented, especially with simulation results of the different modes of operation. With this regard a complete simulation program has been developed down to the scale of switching pulses. Afterwards the control of the power devices has been developed by using the small signal control and the hysteresis control, triangular duty cycle and triangular sine. The simulation results of the main modes show the feasibility of the proposed power converter architecture. Finally an experimental rig has been set up, at reduced scale, for assessing the theoretical analysis. The experimental results of the DC/DC part yield satisfactory results thus proving the effectiveness of the design. Future work will focus on setting up e real scale converter, where the cooling system design will be added before realizing the mass board of the converter. This should lead up to the optimization of the volume occupied in the EV and to the improvement of the energy efficiency of the traction chain.

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail. / Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.

L'étude, le dimensionnement et le test d'un dispositif de stockage d'énergie, à base de<br />supercondensateurs, destiné à fonctionner dans un véhicule à pile à combustible sont<br />présentés dans cette thèse. Deux modes de commande sont détaillés. Leur but est de permettre<br />un fonctionnement en quasi-statique de la pile à combustible afin de limiter les contraintes<br />mécaniques sur la pile en accordant les débits de gaz à la demande en courant. Les<br />supercapacités interviennent lors du non-fonctionnement de la pile, lors de régimes<br />transitoires ou de régimes de récupération.<br />Le dispositif développé utilise deux modules de supercapacités SAFT. Il est connecté à un bus<br />continu 42 V par un convertisseur continu-continu deux quadrants, la pile à combustible étant<br />connectée au bus continu par un convertisseur élévateur. Le contrôle des courants est réalisé<br />de manière analogique. Le contrôle des tensions et les algorithmes d'estimation utilisent une<br />carte numérique dSPACE. Les résultats expérimentaux présentés, obtenus avec une pile de<br />500 W, ont souligné la lenteur naturelle des réponses de la pile à combustible et l'apport des<br />supercapacités pour des applications automobiles. Celles-ci améliorent grandement la<br />dynamique et le contrôle énergétique du système.

Les travaux de cette thèse concernent les chargeurs à couplage inductif développés pour les flottes de véhicule électriques en libre service tel qu'envisagé dans l'opération PRAXITELE de EDF. L'objectif général était la définition de l'ensemble convertisseur-coupleur magnétique adapté à ce type de recharge. Les outils et les méthodes développés dans ce mémoire ont fait progresser la compréhension du couplage par induction, et éclairé le choix de la structure adaptée. L'étude méthodique des différentes structures à trois et à quatre éléments de stockage a fait ressortir quelques montages dignes d'intérêt. Les avantages et les inconvénients de chacun de ces montages ont été soulignés et une méthode de dimensionnement a été proposée. La structure choisie permet d'exploiter au mieux le transformateur à faible couplage que constitue le coupleur magnétique, d'alléger la partie embarquée et d'améliorer les caractéristiques de sortie du chargeur. Elle s'avère également être celle qui conduit au meilleur rendement énergétique de l'ensemble convertisseur-coupleur. Le schéma équivalent du coupleur, développé au laboratoire, nous a permis de simuler le comportement de l'ensemble convertisseur-coupleur, en prenant en compte tous les aspects utiles de son comportement. Cela a mené, en particulier, à l'évaluation des pertes de ce composant. Une vérification expérimentale soigneuse a confirmé cette évaluation avec une précision honorable.

Le développement des véhicules hybrides et électriques s'est intensifié ces dernières années, face aux problématiques environnementales et économiques. Afin que les performances de ces derniers soient comparables à celle d'un véhicule à moteur thermique, de nombreuses avancées technologiques sont indispensables. Le déploiement de véhicule entièrement à traction électrique, ne serait être réalisable, sans des infrastructures de recharge adaptées. Cette thèse constitue une contribution à l'étude d'un chargeur de batteries intégré au véhicule électrique, dans le cadre du projet SOFRACI.L'architecture de ce chargeur entièrement réversible sert également pour la traction du véhicule. L'utilisation de tous les éléments y compris le moteur de traction pour les deux fonctions, réduit l'encombrement et le coût de la structure. L'objectif principal consiste à modéliser le système de conversion alternatif-continu du chargeur et à établir les lois de commandes.Lors de la première phase de l'étude, une attention particulière a été portée à l'utilisation des enroulements de la machine en tant qu'inductance de filtrage du convertisseur. Un modèle correspondant à ce fonctionnement a été obtenu et a permis de mettre en évidence un couplage magnétique existant entre les diverses phases.En s'appuyant sur les modèles obtenues, la seconde étape a consisté à définir les stratégies de commande. Deux méthodes ont été employées. La première, par le biais d'une transformation a permis de se ramener dans un repère, où la majorité des termes de couplage ont été éliminés. Pour l'autre méthode, tous les éléments du couplage ont été considérés. Pour chacune de ces stratégies, des correcteurs PI et RST fondés sur le placement de pôles robustes ont été dimensionnés pour garantir la stabilité du système.Une part importante du travail a été consacrée à la réalisation d'un banc d'essai expérimental reconstituant la conversion alternative-continue. Compte tenu des différences de dynamiques des grandeurs asservies, une carte FPGA et un processeur ont été utilisés. L'exploitation de ce moyen d'essai a permis de comparer et de valider les lois de commande développées.

L'utilisation des plusieurs sources d'énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l'adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur 'énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d'un bus continu " de quelques centaines de volts " dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d'exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d'explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l'adoption d'un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d'élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l'ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l'utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l'alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l'alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l'échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l'architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l'étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d'une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l'espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction.

Actuellement, la principale source d'énergie embarquée dans les véhicules électriques est composée de batteries Li-ion. Cette thèse fait partie des thématiques communes de travail que mène L'ESTACA en collaboration avec le L2EP. L'objectif ce projet est d'étudier l'apport d'une source hybride composée de batteries Li-ion et des supercondensateurs, sur les performances d'un véhicule électrique urbain.Dans un premier temps, une stratégie de gestion d'energie basée sur l'approche des règles déterministes a été appliquée pour montrer l'intérêt de l'association des différentes technologies de batterie Li-ion (haute puissance, haute énergie) avec le supercondensateur en fonction de l'autonomie voulue. Cette étude nous a permis de proposer une solution optimale (poids, volume, coût..) composée d'une batterie énergétique et un supercondensateur.Dans la deuxième partie, on a suivie l'évolution du vieillissement des deux de deux batteries de type haute puissance et hautes énergie dans, respectivement, les configurations mono-source et hybride. Pour réaliser cette étude, un banc de tests, destiné au cyclage et la caractérisation des systèmes de stockage, a été utilisé. Les résultats obtenus, offriront la possibilité de se prononcer sur le type de batteries Li-ion qui pourrait être le plus intéressant pour l'alimentation des véhicules électriques

La conception et la validation d’un nouveau moteur électrique nécessitent d’examiner les comportements dans le temps des différents matériaux d’isolation électrique face aux multiples contraintes qu’ils subissent. Les caractérisations au cours des vieillissements thermiques, hygrothermiques, thermomécaniques et électriques, ont porté sur les matériaux seuls , avec un focus particulier sur les résines d’imprégnation : une à base de polyesterimide et une à base d’époxy chargé, mais également sur les systèmes d’isolation électrique complets. Les autres matériaux sont l’émail des fils de cuivre, constitué de polyesterimide et de polyamide-imide, et deux papiers d’isolation tri-couches à base de Nomex® et de Kapton® pour l’un, et de Nomex® et de PET pour l’autre. Des caractérisations physico-chimiques (suivi de masse, spectroscopies IR et diélectrique, microscopie optique) et mécanique (flexion 3 points) ont permis de mettre en évidence des mécanismes de dégradations des matériaux lors des vieillissements thermiques et hygrothermiques tels que la perte d’adhérence de l’émail ou bien la délamination de la résine époxy. La caractérisation électrique des motorettes par des mesures de décharges partielles, a permis une évaluation des impacts des différents vieillissements et également de les corréler avec certains comportements des matériaux. L’influence de la forme d’onde sur la TADP a été étudiée. Il n’apparait aucune différence significative dans nos conditions entre des mesures sous signaux sinusoïdaux et sous signaux carrés. Les simulations de champs électriques sur les motorettes sont en accord avec les tensions d’apparition de décharges partielles (TADP) mesurées et avec l’influence de la température sur ces TADP. / Design and validation of a new electric motor require an examination of the behavior of the electrical insulating materials under different stresses. Characterizations were performed during aging, thermal, hydrothermal, thermomechanical and electrical, both on the materials, with a special focus on the impregnating resins: a polyesterimide and a filled epoxy, and on models of the electrical system. Other materials have also been characterized such as the enamel covering the copper, with a formulation based on polyesterimide and polyamide-imide, and two 3-layer insulating papers based on Nomex® and Kapton® for the first and on Nomex® and PET for the second. Physicochemical analyses (mass loss, IR and dielectric spectroscopies, optical microscopy) and mechanical characterizations (3-points bending) allowed the identification of the degradation mechanisms during thermal and hydrothermal aging. The effects of the applied stresses on the motorettes were evidenced by measurements of partial discharges. Correlations with the observed behaviors of the materials were underlined, such as the loss of enamel adhesion or the delamination of the epoxy resin. The influence of the waveform on the PDIV has also been studied and it revealed no significant difference between sinus wave and square wave. Simulations of electric fields on the motorettes are in agreement with the measurements of partial discharge inception voltages (PDIV) and with the influence of temperature on these PDIV.