Le domaine du transport, l’un des plus grands secteurs d’énergie, doit affronter des défis importants tels que la sécurité énergétique, le changement climatique et les problèmes de la pollution. Pour répondre à cela, les Véhicules Électriques et Hybrides (VEHs) deviennent une option intéressante. L'un des problèmes clés liées au développement des VEHs est la conception de la commande de ce type de système complexe, lequel est composé de plusieurs sources et sous-systèmes. En utilisant la Représentation Énergétique Macroscopique (REM) qui est une représentation graphique basée sur l’énergie, une structure de commande peut être déduire directement par inversion du modèle. L’objectif de cette thèse est d’établir une REM commune capable de décrire différentes architectures de VEHs. A partir de cette REM, une structure de commande générale est obtenue. Cette structure de commande peut être utilisée pour l’étude de VEH série, parallèle et mixte, en changent seulement différents valeurs de paramètres. Cette REM permet de mieux comprendre les flux de puissance principaux des différent VEHs. En utilisant une approche descendante, la modélisation et la commande des différent VEHs ont été réalisées de manière générale, même si ces VEHs peuvent être très différents les uns des autres en termes de structure. Le temps requis pour la conception de la commande peut être ainsi considérablement réduit. Qui plus est, avec la même structure de commande, les différents VEHs peuvent être comparés plus facilement. La structure commune a été validée expérimentalement sur un émulateur de véhicule hybride série. Différentes gestions énergétiques plus efficaces de VEHs pourraient être développées et comparées. De ce fait, le coût de fabrication, la consommation de carburant et l’émission de CO2 peuvent être réduites. / The transportation domain, one of the largest energy sectors, is currently facing huge challenges, including energy security, climate change and pollution problems. To meet these challenges, Hybrid Electric Vehicles (HEVs) have become an interesting option. One of the key issues related to HEV development is the control design of such complex systems, which are composed of multiple sources and subsystems. Using Energetic Macroscopic Representation (EMR), an energy based graphical description, the inversion-based control structure of the system can be deduced directly. The objective of this thesis is to establish a common EMR which can describe different HEVs. From this common EMR, a unified control scheme is deduced, which can be used for the study of series, parallel, and series-parallel HEVs, by simply setting different parameter values. The common EMR offers a better understanding of the main power flows of different HEVs. Using this top-down approach, the modeling and control design of different HEVs have been achieved in a general way, despite the fact that HEVs can be very different from each other in terms of structure. The time required for control design can be significantly reduced. Furthermore, given the same control structure, different HEVs could be easily compared. Experimental results have been validated the control scheme commune using a Hardware-in-the-loop simulation for a series HEV in a real-time environment. Based on this work, more efficient energy managements of HEVs could be achieved and compared, and thus to reduce HEV manufacturing costs, fuel consumption and CO2 emissions.

Les véhicules thermiques conventionnels se trouvent dans une situation critique. Les solutions Véhicules Electriques (VE) et Véhicules Electriques Hybrides (VEH) nécessitent de stocker à bord du véhicule de l’énergie électrique. Ce stockage se fait principalement par batteries et pose des problèmes d’autonomie, durée de vie et poids. Un moyen pour répondre à ces problématiques consiste à associer deux Systèmes de Stockages d’Energie (SSE) électriques complémentaires. L’objectif de la thèse vise à proposer une méthodologie d’étude des associations de SSE électriques pour VEs et VEHs de façon en déduire des règles de modélisation, de commande et de dimensionnement. Une architecture et une REM générales de VEs mixtes sont établies. La REM générale permet de mieux analyser le système et de simuler l’ensemble des architectures avec un même programme. L’architecture générale permet de tester différentes architectures sur un même banc expérimental. Cette REM est étendue à des véhicules à 3 SSE. La méthodologie de modélisation est appliquée, en particulier, à deux VEs mixtes, puis étendue à un VEH mixte et un VE mixte utilisant trois SSE électriques. Les SSE électriques utilisés sont constitués de batteries et de supercondensateurs. Les structures de commande de chaque véhicule présenté sont élaborées, validées par simulation et par expérimentation en utilisant la simulation Hardware-in-the-Loop (HIL) ou sur véhicule réel. Différentes stratégies de gestion de l’énergie ont été développées pour la voiture électrique mixte. Une étude montre l’influence de ces stratégies notamment sur la consommation de l’énergie électrique de la batterie, sa durée de vie et son dimensionnement. / Conventional vehicles are in a critical situation. The solutions Electric Vehicles (EV) and Hybrid Electric vehicle (HEV) need on-board electric energy storage. Generally, batteries are used, and lead some problems as: autonomy, lifetime, weight…The association of two complementary electric Energy Storage Systems (ESSs) could be a good device to ameliorate the on-board storage. The objective of the thesis aims to propose a methodology of study of electric EESs associations for EVs and HEVs in order to deduce model, control and sizing rules. General topology and Energetic Macroscopic Representation (EMR) of mixed EVs are established. The general EMR allows a better analyse of the system and allows simulating all topologies with one program. The general topology allows testing different topologies on a same experimental bench. The EMR is extended to mixed vehicles using three EESs. The modelling methodology is in particular applied to two mixed EVs, and extended to a mixed HEV and a mixed VE using three electric ESSs. The used electric ESSs are constituted of batteries and supercapacitors. The control structures of each vehicle are built, validated in simulation and in experimentation using a reduced scale Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation or on a real vehicle. Different energy management strategies have been developed for the mixed electric car using batteries / supercapacitors. A study shows the influence of these strategies, in particular on the electric consumption of the batteries, their lifetime and their sizing. Some strategies have been validated experimentally on the real mixed electric microbus.

Le véhicule hybride combine plusieurs sources d’énergie pour se déplacer réduisant ainsi sa consommation. La gestion d’énergie est l’organe intelligent du véhicule qui permet de décider comment et quand utiliser ces sources. Différentes gestions sont possibles pour un même véhicule. Plus elle prend de contraintes en considération, plus elle est efficace, mais plus elle est difficile à réaliser en temps réel. La gestion du chauffage habitacle (impactant sensiblement la consommation) est cependant considérée de manière indépendante de la gestion de la chaîne de traction. Les stratégies optimales permettent de déterminer la meilleure répartition de puissance pour obtenir la consommation minimale. Si cette stratégie peut être déterminée d’un point de vue théorique en simulation, elle ne peut pas être reproduite sur un véhicule réel. En revanche, il est possible de déduire une gestion d’énergie temps réel à partir des stratégies optimales. Néanmoins, cette réalisation est complexe et pour le moment non structurée. L’objectif de la thèse est de proposer une gestion d’énergie globale d’un véhicule hybride incluant à la fois le système de traction et de chauffage. Pour cela, les échanges thermiques sont modélisés et organisés suivant le formalisme REM (Représentation Energétique Macroscopique) permettant d’unifier tous les modèles. Des validations expérimentales permettent de s’assurer de la précision des modèles. Enfin, une démarche progressive est proposée afin de construire une gestion d’énergie utilisable en temps réel et dont les résultats sont proches de l’optimum. / Hybrid vehicle uses several energy sources to reduce its fuel consumption. Energy management strategy (EMS) is one key element that enables to decide when and how to use these sources. For a single vehicle, different EMSs are possible. More the EMS considers constraints, more it is efficient but more it is difficult to solve in real time. The cabin heating system management who has a significant impact on the consumption is considered in a different EMS than the traction system management. Optimal EMS enables to evaluate the ideal power splitting to reach the minimal consumption. If this EMS can be theoretically evaluated in simulation, it cannot be implemented in real time. Nevertheless, it is possible to deduce a real time EMS using the results of the optimal EMS. This deduction is complex and no methodology is available to structure this conception. The objective of this thesis is to propose an EMS of a hybrid vehicle who includes the management of the traction system and of the heating system. To do that, the thermal exchanges are modeled and described using EMR (Energetic Macroscopic Representation) to unify all models. Experimental validations enable to evaluate the models accuracy. To finish, a step by step methodology is proposed to organize the development of a real time EMS. The results obtained with this real time EMS are closed to the optimal theoretical result.

Actuellement, les Véhicules Electriques Hybrides (VEHs) sont considérés comme une partie essentielle du futur de l'industrie automobile. En effet, cette technologie permet de réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre et ce, sans réduire les performances. Les VEHs sont composées de deux ou plusieurs sources d'énergie. Ces sources peuvent être organisées selon plusieurs architectures. Dans cette thèse, l’architecture série-parallèle est choisie pour des véhicules types militaires et de collecte d’ordures. Les VEHs étudiés contiennent un double train planétaire. Ce nouveau répartiteur de puissance rend le système très complexe. Par conséquent, dans cette thèse, la modélisation des VEHs étudiés avec un double train planétaire est faite. L’utilisation de la Représentation Macroscopique Energétique (REM), représentation graphique permettant de déduire la structure de commande, est effectuée pour les deux véhicules étudiés. Cette thèse aborde également la problématique de la gestion de l'énergie des systèmes multi-sources pour les VEHs. Leur stratégie de gestion de l'énergie regroupe plusieurs disciplines et soulève différents challenges. Les défis résident principalement dans la gestion de la dépense d'énergie, la détermination de la répartition de l’énergie et l’établissement de méthode d'interface entre les différents systèmes de manière à répondre aux exigences de la propulsion et des autres exigences de la charge. Dans ce travail, une nouvelle organisation de la stratégie de gestion de l’énergie a été effectuée pour les véhicules étudiés (véhicules militaire et de collecte d’ordures) par une décomposition de cette gestion en 3 niveaux bien distincts. / Currently, Hybrid Electric Vehicles (HEVs) are considered to be a critical part of the future vehicle industry. This is because they allow for decreased fuel consumption and emissions without a decline in performance. HEVs are composed of two or more power sources and can be arranged in various topologies. In this thesis, a series-parallel architecture is chosen for military and garbage trucks. The studied HEVs contain a Double Planetary Geartrain as a Power Split Device (PSD), which makes the system very intricate and complex. Therefore, in this thesis, modeling of studied HEVs with a PSD is done. Later, through the assistance of Energetic Macroscopic Representation (EMR) it is graphically represented and local control structure for both vehicles are deduced.This dissertation also addresses the problem of managing energy of multiple energy sources for the studied HEVs. The Energy Management Strategy (EMS) in application to HEVs encompasses several different disciplines and challenges. Primarily, the challenges lies in managing the energy expenditure, determining the proportional power splits and establishing methods to interface between the systems so as to meet the demands of the vehicle propulsion and other load requirements. In this work, an attempt has been made to provide a new organization of EMS by decomposition in 3 explicit levels for studied vehicles i.e. military and garbage truck.

Sous chargement, les matériaux dits ‘quasi-fragiles’ tels que les bétons et de nombreuses roches présentent souvent une perte de rigidité progressive, ainsi qu’un comportement anisotrope, asymétrique et hystérétique. Il est maintenant largement admis que ce comportement, fortement non linéaire et complexe, est lié principalement à la création, au développement et au jeu d’ouverture et fermeture des réseaux de microfissures accompagnés de glissement et de frottement entre lèvres de microdéfauts en contact.Dans l’optique d’une utilisation industrielle sérieuse, la construction d’un modèle d’endommagement simple, fiable sur le plan mathématique et thermodynamique et offrant une réponse pertinente pour les matériaux quasi-fragiles jusqu’à l’apparition d’une localisation de l’endommagement, constitue à l’heure actuelle un enjeu important. Il représente en effet une étape indispensable avant de pouvoir espérer modéliser de manière satisfaisante le comportement jusqu’à la ruine de nombreux ouvrages du génie civil. L’objectif du travail de thèse est d’améliorer les capacités prédictives d’un modèle simple d’endommagement par microfissuration existant qui prend en compte les effets unilatéraux liés à l’ouverture-fermeture des microfissures. La nouvelle approche proposée est basée sur l’introduction d’un second phénomène dissipatif susceptible d’être induit lors de la fermeture des microdéfauts : le glissement avec frottement des lèvres en contact. La modélisation de ce nouveau mécanisme dissipatif s’effectue à l’échelle macroscopique en ne faisant référence à l’échelle inférieure ou aux résultats de la micromécanique des milieux microfissurés que pour interpréter ou justifier certaines hypothèses. Une attention particulière est accordée à la continue différentiabilité du potentiel thermodynamique proposé. L’étude et la simulation de différents essais permettent d’illustrer la pertinence des choix retenus. / Under loading, materials called 'quasi-brittle' as concrete and many rocks often exhibit progressive loss of stiffness, as well as anisotropic behavior, and asymmetric hysteretic. It is now widely accepted that this behavior highly nonlinear and complex, is mainly related to the creation, development and set of opening and closing of microcracks accompanied networks and sliding friction between the lips of microdefects in contact. In the context of a serious industrial use, the construction of a damage model simple, thermodynamically and mathematically reliable and providing an appropriate response for quasi-brittle materials until the onset of localization damage, is currently an important issue. It is indeed a necessary step before adequately modelling behavior to the ruin of many civil engineering works. The objective of this thesis is to improve the predictive capabilities of an existing simple model of damage by microcracking which takes into account unilateral effects related to the opening and closing of microcracks. The new approach is based on the introduction of a second dissipative phenomenon may be induced when closing microdefects: frictional sliding of the lips of microcracks. Modeling of this new dissipative mechanism occurs at the macroscopic scale by only referring to the lower scale or the results of the micro environments that microcracked to interpret or justify certain assumptions. Particular attention is paid to the continuous differentiability of the thermodynamic potential proposed. The study and simulation of various tests enable to illustrate the relevance of the choices made.

Le développement de la commande d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs doit prendre en compte les contraintes liées à l’association de ses composants. La commande par inversion apporte une solution. Elle utilise une approche systémique et cognitive afin d’identifier la cause qui produit l’effet désiré et inverse les modèles des éléments associés pour obtenir une structure de commande. Ainsi, les commandes déduites de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) et du Backstepping font partie de la catégorie des commandes par inversion. Le Backstepping déduit une commande stable de la plupart des systèmes non-linéaires. Cependant, il ne permet pas de gérer de façon claire et efficace les couplages énergétiques. Il est alors possible de décomposer physiquement le système suivant les règles de la REM. La REM permet également de séparer explicitement la commande et la stratégie de gestion de l’énergie. Dans cette thèse en cotutelle franco-québécoise, les caractéristiques des deux commandes ont été soulignées. Les deux méthodes apparaissent alors complémentaires. L’intégration du Backstepping apporte à la REM l’assurance d’une stabilité intrinsèque. Les principes de la REM, quant à eux, permettent au Backstepping de gérer les couplages énergétiques. Le développement d’une commande par inversion stable d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs est donc proposé par la combinaison de ces deux méthodes de commande, suivant une procédure d’inversion combinée. La répartition des puissances du véhicule est ainsi réalisée en temps réel, sur dispositif expérimental, suivant une stratégie de filtrage et la commande stable par inversion combinée développée. / The development of the control of a fuel cell/supercapacitor vehicle must take into account the constraints related to the associations of its components. Inversion based control can solve this problems. This use a systemic and cognitive approach to find the cause which produce the desired effect and inverse the associated component models to obtain a control structure. In this way, Energetic Macroscopic Representation (EMR) and Backstepping have inversion based control approach. The Backstepping method deduces stable control of most classes of nonlinear systems. However, it don’t effectively and simply manage the energetic couplings. A physical decomposition of the studied system following the EMR rules bring a solution. EMR enables a systematic deduction of control schemes, specifically a clear distinction between the local control and the energy management strategy level. In this franco-quebecer co-tutorial thesis, similarities between the both control methods has been shown. EMR and Backstepping can complement each other. The integration of the Backstepping bring intrinsic stability to the EMR. The Backstepping can manage the energetic couplings thanks to EMR. The development of a fuel cell/supercapacitor vehicle stable inversion based control is then proposed using the combination of the both control methods. Thus, the power distribution is achieve in real time using a filtering strategy and the stable proposed combined inversion based control.

Les véhicules électriques et hybrides font partie des éléments clés pour résoudre les problèmes de réchauffement de la planète et d'épuisement des ressources en combustibles fossiles dans le domaine du transport. En raison des limites des différents systèmes de stockage et de conversion d’énergie en termes de puissance et d'énergie, les hybridations sont intéressantes pour les véhicules électriques (VE). Dans cette thèse, deux hybridations typiques sont étudiées • un sous-système de stockage d'énergie hybride combinant des batteries et des supercondensateurs (SC) ; • et un sous-système de traction hybride parallèle combinant moteur à combustion interne et entraînement électrique. Ces sources d'énergie et ces conversions combinées doivent être gérées dans le cadre de stratégies de gestion de l'énergie (SGE). Parmi celles-ci, les méthodes basées sur l'optimisation présentent un intérêt en raison de leur approche systématique et de leurs performances élevées. Néanmoins, ces méthodes sont souvent compliquées et demandent beaucoup de temps de calcul, ce qui peut être difficile à réaliser dans des applications réelles.L'objectif de cette thèse est de développer des SGE simples mais efficaces basées sur l'optimisation en temps réel pour un VE et un camion à traction hybride parallèle alimentés par des batteries et des SC (système de stockage hybride). Les complexités du système étudié sont réduites en utilisant la représentation macroscopique énergétique (REM). La REM permet de réaliser des modèles réduits pour la gestion de l'énergie au niveau de la supervision. La théorie du contrôle optimal est ensuite appliquée à ces modèles réduits pour réaliser des SGE en temps réel. Ces stratégies sont basées sur des réductions de modèle appropriées, mais elles sont systématiques et performantes. Les performances des SGE proposées sont vérifiées en simulation par comparaison avec l’optimum théorique (programmation dynamique). De plus, les capacités en temps réel des SGE développées sont validées via des expériences en « hardware-in-the-loop » à puissances réduites. Les résultats confirment les avantages des stratégies proposées développées par l'approche unifiée de la thèse. / Electric and hybrid vehicles are among the keys to solve the problems of global warming and exhausted fossil fuel resources in transportation sector. Due to the limits of energy sources and energy converters in terms of power and energy, hybridizations are of interest for future electrified vehicles. Two typical hybridizations are studied in this thesis: • hybrid energy storage subsystem combining batteries and supercapacitors (SCs); and• hybrid traction subsystem combining internal combustion engine and electric drive. Such combined energy sources and converters must be handled by energy management strategies (EMSs). In which, optimization-based methods are of interest due to their high performance. Nonetheless, these methods are often complicated and computation consuming which can be difficult to be realized in real-world applications.The objective of this thesis is to develop simple but effective real-time optimization-based EMSs for an electric car and a parallel hybrid truck supplied by batteries and SCs. The complexities of the studied system are tackled by using Energetic Macroscopic Representation (EMR) which helps to conduct reduced models for energy management at the supervisory level. Optimal control theory is then applied to these reduced models to accomplish real-time EMSs. These strategies are simple due to the suitable model reductions but systematic and high-performance due to the optimization-based methods. The performances of the proposed strategies are verified via simulations by comparing with off-line optimal benchmark deduced by dynamic programming. Moreover, real-time capabilities of these novel EMSs are validated via experiments by using reduced-scale power hardware-in-the-loop simulation. The results confirm the advantages of the proposed strategies developed by the unified approach in the thesis.

Une modélisation récente, qualifiée de multiphasique, permettant de décrire le comportement des ouvrages en sols renforcés par inclusions a été développée et intégrée dans un code de calcul par éléments finis. Le champ d'application de cette approche a été étendu pour rendre compte du comportement macroscopique de matériaux à fibres tels que le plâtre, le béton de fibres, les ouvrages en sol renforcés par des fibres et les tissus osseux qui présentent une microstructure constituée d'une matrice et d'une distribution de fibres plus ou moins longues orientées dans toutes les directions de l'espace. Cette approche est d'abord mise en œuvre pour déterminer le comportement élastique du composite à fibre, les résultats obtenus sont comparés à ceux fournis par les schémas d'estimation dilué et de Mori Tanaka, basés sur la solution d'Eshelby, la suite de ce travail est consacrée au développement du modèle dans le cadre d'un comportement anélastique des constituants. Des solutions analytiques ont été développées permettant de retrouver le comportement macroscopique des matériaux à fibres sous certaines sollicitations simples dans le cadre d'un comportement élasto-plastique ou élastique-fragile des différents constituants. Le modèle est par la suite mis en œuvre numériquement dans le cadre de la méthode des éléments finis permettant d'accéder à la réponse de structures en matériaux à fibres

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Une modélisation récente, qualifiée de multiphasique, permettant de décrire le comportement des ouvrages en sols renforcés par inclusions a été développée et intégrée dans un code de calcul par éléments finis. Le champ d'application de cette approche a été étendu pour rendre compte du comportement macroscopique de matériaux à fibres tels que le plâtre, le béton de fibres, les ouvrages en sol renforcés par des fibres et les tissus osseux qui présentent une microstructure constituée d'une matrice et d'une distribution de fibres plus ou moins longues orientées dans toutes les directions de l'espace. Cette approche est d'abord mise en œuvre pour déterminer le comportement élastique du composite à fibre, les résultats obtenus sont comparés à ceux fournis par les schémas d'estimation dilué et de Mori Tanaka, basés sur la solution d'Eshelby, la suite de ce travail est consacrée au développement du modèle dans le cadre d'un comportement anélastique des constituants. Des solutions analytiques ont été développées permettant de retrouver le comportement macroscopique des matériaux à fibres sous certaines sollicitations simples dans le cadre d'un comportement élasto-plastique ou élastique-fragile des différents constituants. Le modèle est par la suite mis en œuvre numériquement dans le cadre de la méthode des éléments finis permettant d'accéder à la réponse de structures en matériaux à fibres / A multiphase model has been recently developed and integrated into a finite element based code for the analysis and design of soil structures reinforced with linear inclusions. This approach is extended to account for the macroscopic behavior of fiber reinforced materials such as plaster, concrete fiber, soil reinforced by short fibers and bone tissues, which are constituted of a matrix and a distribution of continuously oriented fibers. The proposed model is performed to evaluate the elastic macroscopic stiffness of the composite material, the obtained results are compared to those deriving from the dilute and Mori-Tanaka estimations. The model is then extended to take into account a nonelastic behavior of the constituents. Starting from the derivation of some analytical solutions to boundary value problems involving fiber reinforced materials in the context of elasto-plastic and brittle behavior of the matrix and fibers, a f.e.m.-based code is developed and applied to simulating the behavior of some typical structures