Design and control strategy of powertrain in hybrid electric vehicles

Depuis une dizaine d’années, les constructeurs et les grands groupesdu secteur de l’automobile se sont mobilisés autour de la recherche et dudéveloppement de nouveaux prototypes de véhicules économes (moins consommateursd’énergie) et propres (moins de rejets de polluants) tels queles véhicules hybrides et tout électriques. C’est une nouvelle mutation. Ellefait profondément évoluer l’automobile, d’une architecture de propulsionthermique, devenue maîtrisée mais fortement polluante, vers une tractionélectrique ou hybride plus complexe et peu, voire pas du tout, maîtrisée ;le nombre de composants (sources d’énergie, actionneurs, contrôleurs, calculateurs,...) devient important, de nature multidisciplinaire et possédantbeaucoup de non linéarités. De plus, faute de maturité dans ce domaine, àce jour l’industrie de l’automobile ne possède pas encore les connaissancessuffisantes nécessaires à la modélisation, à la simulation et à la conceptionde ces nouveaux véhicules et plus particulièrement les dispositifs relatifs auxsources d’énergie et aux différents actionneurs de propulsion.Les travaux de cette thèse visent à donner des méthodes de conceptiond’une chaine de traction hybride et d’en gérer la gestion de l’énergie. Lathèse s’appuie sur l’exemple de la conception et la gestion de l’énergie d’unvéhicule hybride basé sur une pile à combustible et des batteries.Dans un premier temps, un méthode de dimensionnement des composantsde la chaine de traction est présentée : Elle consiste en l’étude statistique decycle de conduite générés pseudo aléatoirement représentatif de la conduiteen condition réelle de véhicule. Un générateur de cycle de conduite à été créeet est présenté, et la méthode de dimensionnement de la source primaire, iciune pile a combustible, ainsi que le source secondaire de puissance, ici desbatteries, est détaillée. Un exemple est pris pour illustrer cette méthode avecla conception d’un véhicule de type camion poubelle décrivant des cycles deconduites urbains à arrêts fréquents.Dans un second temps, la gestion de l’énergie de la chaine de traction hybridesérie est étudiée : une gestion de l’énergie “offline” est présentée, basé surl’optimisation par programmation dynamique. Cette optimisation permetd’avoir le découpage de la puissance par les deux sources de la chaine detraction de manière optimal pour un cycle précis. De part l’aspect déterministede la programmation dynamique, les résultats servent de référence quant aufuturs développements de gestion temps réel.Un contrôleur temps réel basé sur la logique floue est ainsi exposé et lesrésultats sont comparés par rapport à la gestion “offline”. Le contrôleurest ensuite optimisé et rendu adaptatif par un algorithme génétique et unalgorithme de reconnaissance de type de profil routier.Enfin, une introduction à la gestion de l’énergie dans les véhicules hybrides de type : “plug in” est présentée : Elle repose sur le principe de la déterminationde la distance restante à parcourir par la reconnaissance de la destination àl’aide d’une matrice de probabilité de Markov.Hybrid electric vehicle have known a quickly grow in the last 10 years.Between conventional vehicles which are criticized for their CO2 emissionand electric vehicles which have a big issue about autonomy, hybrid electricones seems to be a good trade of. No standard has been set yet, and the architecturesresulting of theses productions vary between brands. Nevertheless,all of them are design as a thermal vehicle with battery added which leadsto bad sizing of the component, specially internal combustion engine andbattery capacity. Consequently, the control strategy applied to its componentshas a lot of constraints and cannot be optimal.This thesis investigate a new methodology to design and control a hybridelectric vehicle. Based on statistical description of driving cycle and the generationof random cycle, a new way of sizing component is presented. Thecontrol associate is then determined and apply for different scenarios : firstlya heavy vehicle : A truck and then a lightweight vehicle. An offline controlbased on the optimization of the power split via a dynamic programmingalgorithm is presented to get the optimal results for a given driving cycle.A real time control strategy is then define with its optimization for a givenpatterns and compared to the offline results. Finally, a new control of plug inhybrid electric vehicle based on destination predictions is presented