L’hybridation électrique de la chaîne de traction automobile est l’une des solutions adoptées pour respecter les règlementations futures sur ses émissions. La stratégie de supervision de la chaîne de traction hybride répartit la puissance produite par le moteur à combustion interne et la machine électrique. Elle répond habituellement à un problème d’optimisation où l’objectif est de réduire la consommation de carburant mais nécessite à présent d’y ajouter les émissions polluantes. La chaîne de dépollution, placée à l’échappement du moteur, permet de diminuer la quantité de polluants émise dans l’atmosphère. Cependant, elle n’est efficace qu’à partir d’un seuil de température, et dépend de la chaleur apportée par les gaz d’échappement du moteur thermique. La première partie de ce travail est donc consacrée à la modélisation de la consommation énergétique et des émissions polluantes de la chaine de traction hybride. La modélisation de l’efficacité de la chaîne de dépollution est réalisée selon deux contextes. Le modèle zéro-dimensionnel est adapté aux contraintes de calcul de la commande optimale. Le modèle unidimensionnel associé à un estimateur d’état permet d’être embarqué et calculé en temps réel. À partir de ces travaux, la seconde partie de cette thèse déduit des stratégies de supervision à l’aide de la théorie de la commande optimale. Dans un premier cas, le principe de Bellman permet de calculer la commande optimale d’un véhicule hybride Diesel selon des critères de supervision ayant plus ou moins connaissance de l’efficacité de la chaîne de dépollution des émissions de NOX. Dans un second cas, une stratégie issue du Principe du Minimum de Pontryagin, embarquée sur un véhicule hybride essence, fonctionnant en temps réel et calibrée selon deux paramètres est proposée. L’ensemble de ces travaux est validé expérimentalement au banc moteur et montre une réduction significative des émissions polluantes pour une faible pénalité de carburant. / Powertrain hybridization is a solution that has been adopted in order to conform to future standards for emissions regulations. The supervisory strategy of the hybrid powertrain divides the power emitted between the internal combustion engine and the electric machine. In past studies, this strategy has typically responded to an optimization problem with the objective of reducing consumption. However, in addition to this, it is now necessary to take pollutant emissions into account as well. The after-treatment system, placed in the exhaust of the engine, is able to reduce pollutants emitted into the atmosphere. It is efficient from a certain temperature threshold, and the temperature of the system is dependent on the heat brought by the exhaust gas of the engine. The first part of this dissertation is aimed at modelling the energy consumption and pollutant emissions of the hybrid powertrain. The efficiency model of the after-treatment system is adapted for use in two different contexts. The zero-dimensional model conforms to the constraints of the optimal control calculation. The one-dimensional model associated with a state estimator can be embedded in a vehicle and calculated in real time. From this work, the second part of this dissertation deduces supervisory strategies from the optimal control theory. On the one hand, Bellman’s principle is used to calculate the optimal control of a Diesel hybrid vehicle using different supervisory criteria, each having more or less information about the after-treatment system efficiency over NOX emissions. On the other hand, a strategy from Pontryagin’s minimum principle, embedded in a gasoline hybrid vehicle, running in real time and calibrated with two parameters, is proposed. The whole of this work is validated experimentally on an engine test bed and shows a significant reduction in pollutant emissions for a slight fuel consumption penalty.

Cette thèse présente le dimensionnement d’une machine électrique à rotor disque pour la traction de véhicules hybrides. Un état de l’art complet sur les machines électriques à rotor disque permet de montrer que la machine à flux axial à rotor central est la plus adaptée. Différentes géométries du circuit magnétique sont successivement étudiées et comparées par simulations par éléments finis. Pour maximiser le rendement de la machine, les pertes d’origine électromagnétique sont étudiées. Un modèle analytique des pertes par effet de peau dans les conducteurs de cuivre est proposé et validé par éléments finis. Un second modèle analytique estime les pertes par courant induits dans les aimants permanents pour tous les points de travail de la machine se basant sur uniquement trois simulations par éléments finis permettant ainsi un gain de temps important lors du dimensionnement. Deux méthodes de dimensionnement sont comparées : le dimensionnement manuel par essais/erreurs et l’optimisation multi-objectifs. Cette dernière méthode automatise le dimensionnement et permet une optimisation plus pointue et une forte amélioration des performances. Dans ce cas, la densité de couple a par exemple été augmentée de 29%. La machine à flux axial dimensionnée est comparée avec une machine à flux radial pour véhicules hybrides. Cette comparaison révèle le potentiel de la machine à flux axial avec notamment une densité de couple augmentée de plus de 20%. Enfin, deux prototypes ont été construits et mesurés pour valider les simulations. / This PhD presents the design of a disc rotor electric machine for the traction of hybrid vehicles. A complete state of the art enables the selection of the internal rotor axial flux machine which is the most suited to this application. Different geometries of the magnetic circuit are successively studied and compared with finite elements simulations. To maximize the efficiency of the machine losses generated in the magnetic circuit are studied. An analytic model on the skin effect in the copper conductors is proposed and validated with finite elements simulations. A second analytic model estimates the eddy current losses in the permanent magnets for every operating point of the machine based on only three finite element simulations enabling an important time-saving. Two dimensioning methods are compared: the manual dimensioning based on a tries/errors method and the multi-objectives optimization. This last method automates the dimensioning and enables a more refined optimization and a strong improvement of the performances. For example, the torque density has been improved by 29% in that case. The designed axial flux machine is compared to a state of the art radial flux machine for hybrid vehicle. This comparison shows the potential of the axial flux machine with an improvement of the torque density by more than 20%. Finally two prototypes have been built and measured to validate the simulations.

Les préoccupations actuelles sur le réchauffement climatique et la déplétion des ressources fossiles exigent une mutation basée sur le développement durable. Ainsi, afin de garder nos acquis en termes de mobilité, il est extrêmement important de trouver des solutions de propulsion propres et efficaces. C'est pourquoi, la conception optimale systémique des chaînes de traction électrique est un enjeu majeur.<br /><br />La thèse présente une méthodologie rationnelle pour la conception optimale systémique appliquée à la conception des chaînes de traction électrique. La méthodologie est générale et se base sur l'optimisation sous contraintes. Elle intègre l'utilisation de différents niveaux de granularité au sein du modèle de conception. Une interface a été développée afin d'appliquer aisément cette méthodologie à des cas pratiques variés. Deux objectifs ont été traités, le premier concerne la définition des cahiers des charges des composants, le deuxième concerne la conception détaillée d'un composant de la chaîne de traction en prenant en compte l'ensemble du système. Ces applications mettent en évidence les avantages de la méthodologie proposée et l'importance de l'approche systémique.

Ces travaux de thèse consistent en la conception et la réalisation d’une chaîne de tractionintégrée pour véhicule hybride plug-in. L’étude s’oriente vers une solution de convertisseur mutualisé,dans l’objectif de partager la traction et les modes chargeurs de batteries, la structure en NPC à 3niveaux est retenue. Le chargeur monophasé se base une topologie de redresseur à MLI monophaséavec trois bras entrelacés, avec l’utilisation des enroulements du moteur pour le filtrage. En chargeurtriphasé nous adaptons la topologie pour réaliser un montage en double boost triphasé. Pour chaqueconfiguration, les passifs sont dimensionnés pour répondre aux contraintes en courant BF et HF. Lecontrôle adopté se base sur les correcteurs résonants. Enfin, un prototype de 5 kW a été réalisé pourvalider les différents modes de l’application.Dans une seconde partie, nous proposons une solution de chargeur isolé sans étage continu auprimaire à double ponts actifs (DAB). La topologie est modélisée au premier harmonique et unecommande assurant l’absorption sinusoïdale est étudiée. Une configuration isolée triphasée permetl’accès aux puissances plus élevées ainsi que la réduction des ondulations de courant BF en sortie. / This thesis consists on the design and realization of a plug-in hybrid vehicle integrated tractiondrive supply. The work turns to a solution of a mutualized converter, in the objective to imagine asolution which shared drive and battery chargers modes, the three-level NPC topology has beenretained. The single phase charger is based on an interleaved PWM rectifier, and motor windings areused as smoothing inductors. A double-boost PFC configuration is introduced to ensure the threephasecharger. Passives are sized in each configuration in order to take in account the whole currentconstraints (LF and HF). The PFC behavior is based on the resonant controllers. Then, a 5 kWprototype has been realized to validate the different application modes.In a second part, a single-stage isolated charger based on a Dual-Active-Bridge (DAB) isproposed. The topology is modeled to the fundamental and the PFC control law is studied. A threephaseconfiguration is simulated in order to achieve higher charging powers and to reduce batterycurrent low-frequency ripple.

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.