Le véhicule électrique est une des solutions de transport respectueuses de l’environnement, n’émettant pas de polluant lors de son utilisation. Gruau, constructeur carrossier pour véhicules utilitaires, se lance activement dans le transport écologique sur le segment de l’utilitaire 3,5t. Afin d’accroitre les ventes de véhicules utilitaires électriques, il est nécessaire d’en réduire le coût total de possession (ou TCO (Total Cost of Ownership)). L’objectif de cette thèse est d’étudier et de modéliser le comportement des composants de ce véhicule électrique pour simuler des calculs de TCO. Le composant principal étudié est la batterie, dont la durée de vie limitée conditionne la rentabilité du véhicule. La première partie des travaux fut consacrée à la modélisation du comportement du véhicule en fonction d’une mission client donnée. Une étude des cellules de batterie est réalisée dans le but de construire un modèle multi-physique complet en prenant en considération le vieillissement calendaire et le vieillissement en cyclage. Un modèle énergétique global, comprenant ce modèle batterie, permet de déterminer l’énergie nécessaire pour un parcours donné et de simuler le vieillissement des cellules électrochimiques afin de calculer le TCO. Une seconde partie est orientée vers le calcul du TCO. La mise en oeuvre d’un algorithme d’optimisation avec une méthodologie d’accélération des calculs a permis de réaliser les calculs dans des temps raisonnables (passage de 13h à 15min par itération). Après étude de l’impact du dimensionnement de la batterie sur le TCO, il en ressort que la réduction de la capacité n’entraine pas systématiquement la réduction du TCO. Il existe pour chaque mission un point de TCO optimal (jusqu’à 17% d’éconnomie). Afin d’améliorer le TCO, des stratégies de recharge intelligentes sont élaborées et permettent rentabilité accrue du VUE (jusqu’à 29%). Ce travail a été intégré dans un logiciel d’aide à la décision de la capacité de la batterie suivant les besoins du client, destiné aux forces de ventes commerciales. / The electric vehicle is one of the environmentally friendly transport solutions that emit no pollutant during its use. Gruau, manufacturer-converter for light commercial vehicles (LCV), is actively involved in green transport in the 3.5t segment. In order to increase sales of electric LCV, it is necessary to reduce its total cost of ownership (TCO). The objective of this thesis is to study and model the behavior of the components of this electric vehicle in order to simulate TCO. The main component studied is the battery, whose limited lifetime will determine the profitability of the vehicle. The first part of the work was devoted to modeling the behavior of the vehicle according to a given customer mission. The study of battery cells was done with the aim of building a complete multi-physics model taking into account calendar aging and cycling aging. Then, this battery model is integrated in a complete energy model taking into account all the components of the studied vehicle. Then a global model, including this battery model, makes it possible to determine the energy required for a given path and to simulate the aging of the electrochemical cells in order to calculate the TCO. A second part is oriented towards the calculation of the TCO. The implementation of an optimization algorithm, with a methodology of computing acceleration, allowed to achieve the computations in reasonable times (reduction from 13h to 15min by iteration). After studying the impact of battery sizing on the TCO, it appears that the reduction of the battery capacity does not systematically lead to the reduction of the TCO. There is therefore an optimum TCO point for each mission (up to 17% savings). In order to improve the TCO, smart recharging strategies are developed and allow increasing e-LCV profitability (up to 29%). This work is integrated into a decision support software relative to the battery capacity according to customer needs, intended for commercial sales forces.

This thesis deals with the problematic of lead acid batteries for HEVs. It starts with classification of electrochemical cells then proceeds to focus on lead acid batteries, mainly because they are the most used source of electrical power in automotive industry. The practical part of the work describes the process of manufacturing the electrode system used in the later parts. The experimental part is focused on the behaviour of the cells under conditions that appear in hybrid electric vehicles. The effect of aditives in active matter of the negative electrode on the parameters of the cells is observed, such as voltage, capacity and operating life

The thesis briefly discusses the issue of electrochemical power sources, especially with a focus on lead-acid batteries operating in modes that are typical of hybrid electric vehicles. The theoretical part of the thesis should be a good basis for the subsequent practical part, in which several experimental electrodes and their parameters will be performed and evaluated. The output of the practical part will be conclusions regarding the influence of different variants of modified carbon used as an additive in the active material of the negative electrode on the capacity and life of cells

As a step towards decreasing the greenhouse gas emissions caused by the transport sector, electrical vehicles (EVs) have become more and more popular. Two major problem areas the EV industry is currently facing are range limitations, i.e. being restricted by the capacity of the battery, as well as a demand for higher bandwidth as the in-vehicle communication increases. In this thesis, an attempt is made to address these problem areas by examining the energy consumption required by Controller Area Network (CAN) and Ethernet. In addition, the effects of Energy-Efficient Ethernet (EEE) are reviewed. The protocols are examined by performing a theoretical analysis over CAN, Ethernet and EEE, physical tests over CAN and Ethernet, as well as simulations of EEE. The results show that Ethernet requires 2.5 to four times more energy than CAN in theory, and 4.5 to six times more based on physical measurements. The energy consumption of EEE depends on usage, ranging from energy levels of 40 \% less than CAN when idle, and up to equal amounts as regular Ethernet at high utilisation. By taking full advantage of the traits of Time-Sensitive Networking, EEE has the potential of significantly decreasing the amount of energy consumed compared to standard Ethernet while still providing a much higher bandwidth than CAN, at the cost of introducing short delays. This thesis provides insight into the behaviour of a transmitter for each of the three protocols, discusses the energy implications of replacing CAN with Ethernet and highlights the importance of understanding how to use Ethernet and EEE efficiently.

This study investigated the implementation of a remaining range estimation algorithm for electrical vehicles, an essential feature to define a vehicle's reliability on the road. The implementation was made on an electrical motorcycle, comparing three models: a dynamic force based model, a power based model and a mass estimation model. The mass model estimated the mass with the help of a RLS algorithm and is a combination of the force based model and the power model. It investigates the possibility to further increase the accuracy of a range estimation algorithm by estimating the total mass of the vehicle over a driving session. On top of these models, two kinds of prediction methods for future consumption were evaluated: the average-past prediction and the home-intention prediction. Both models uses past data to predict the future, but the home-intention prediction is a suggested method to further improve the classic average-past method, where the beginning and end of the vehicle's driving sessions is assumed to be the same location. Tests were executed for the models on an electrical motorcycle provided by the company CAKE. A test equipment were put on the motorcycle, consisting of microprocessors and sensors, used for computation and collection of data. With this equipment, experiments were performed on three test routes with different conditions, comparing the models’ accuracies. The results showed that the Power Model, even with its lower complexity performed best overall, while the Force Model showed mixed results. Depending on the prediction method the Force Model performed either at the top or at the bottom. When the results were analyzed, this behavior seem to be the result of insufficient/faulty hardware which were essential for the average-past prediction to achieve proper results. The Force Model using home-intention prediction consistently performed better, as long as its prediction was correct. The Mass Model was executed offline and were then used to simulate the effect it could have had online. This showed promising result, suggesting improved accuracy if implemented online, but which in this thesis is left as a suggestion of improvement for future work. / Den här studien utforskade implementationen av en algoritm för att estimatera kvarstående räckvidd för ett elektriskt fordon, som är en viktigt funktionalitet för att utvärdera ett fordons pålitlighet på vägen. Implementeringen gjordes på en elektrisk motorcykel på tre modeller: en kraftbaserad-, en effektbaserad- och en massestimeringsmodell. Massestimeringsmodellen estimerar fordonets massa med hjälp av en RLS algoritm och är en kombination av kraft- och effektmodellen. Den utforskar möjligheten att förbättra räckviddsestimeringen ytterligare genom att kunna estimera den totala vikten av fordonet under körningen. På dessa modeller så utvärderades två typer av prediktionsmetoder för att förutspå framtida energiförbrukning: genomsnittliga-datametoden, en metod som använder genomsnittlig data i dåtid, och hem-avsiktsmetoden, en metod som förutspår förarens avsikt att åka hem. Båda modellerna använder gammal data för att förutspå framtiden, men hem-avsiktsmetoden är en föreslagen metod för att ytterligare förbättra den klassiska genomsnittliga-passerade metoden, där början och slutet av körningen antas vara samma position. Test utfördes för modellerna på en elektrisk motorcykel från företaget CAKE. En testutrustning monterades på motorcykeln som består av mikroprocessorer och sensorer och användes för samla och bearbeta data. Med denna utrustning genomfördes experiment på tre olika rutter som hade olika förutsättningar där modellerna träffsäkerhet sedan jämfördes. Resultatet visade på att Effektmodellen, även då den har en lägre nivå av komplexitet, faktiskt presterade generellt sätt bäst, medans Kraftmodellen visade på blandat resultat. Beroende på prediktionsmetod som användes så presterade Kraftmoddel antingen i toppen eller botten. När resultatet analyserades så verkar detta beteende bero på otillräcklig/problematisk hårdvara som var avgörande för den genomsnittliga-passerade metoden. Kraftmodellen tillsammans med hem-avsiktsmetoden ökade prestandan konsekvent så länge som förutsägelsen var korrekt. Massmodellen utfördes offline och detta resultat användes sedan för att simulera massmodellens påverkan på estimering online. Detta visade på lovande resultat och visar på att ifall den metod kördes online så skulle pricksäkerheten kunna ökas, men är något som inte utförs i detta arbete utan lämnas som ett förslag på förbättring för framtida studier.

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