Optimization of energy integrated systems for vehicles applications

The main threads of the researches presented in this habilitation manuscript are the improvement of the energy efficiency of the vehicles energy systems, their emissions reduction, presenting competitive cost effective solutions of the energy storage and conversion technologies. The research considers energy efficiency, economic and environmental impact studies of innovative energy systems. In this manuscript the vehicles energy system evolves from autonomous on-board system to grid related system, with multi- energy vectors. Three main research topics are developed: •Energy efficiency, storage and conversion on vehicles boardInternal combustion engines have limitation on efficiency due mainly to the heat losses. Processing an energy integration, it has been shown than an organic Rankine cycle can improve the overall powertrain efficiency by recovering the heat into electricity. In parallel, hybrid electric vehicles attractiveness increases as it enables important energy saving. The energy recovery potential of a single stage organic Rankine cycle for a thermal engine in combination with a mild hybrid electric powertrain is studied. The environomic methodology for design is applied on hybrid electric vehicles and electric vehicles, in order to explore the techno-economic and environmental trade-off for different hybridization level of the vehicles powertrains. The variable engine valve trains are important for the gas exchanges and influence directly the effective efficiency of the internal combustion engine. This research presents an innovative application of an electromagnetic actuator for a future variable engine valve train. The design method is inversed to create a control law model. The control architecture is designed for a robust control of the actuator. The investigations show that very good dynamic performances of the controller are obtained. The problems of the range and the energy storage of the vehicle on board are important and are introduced. Multi-objective optimization method is applied to estimate the optimal vehicles energy system designs for urban mobility and for long way electric mobility (> 500 km). Lithium-Ion battery systems become a major storage component in vehicle drivetrains. In this research, the investigation of the energy balance evolution for Li-Ion battery system is described. A method to determine the energy balance through experimental investigations and validate the model is also proposed. •Extension of the vehicle energy systems, the vehicles as grid related systemsThe recharging of the vehicles and their connection to the energy grid became an important question. The energy system is extended and includes the energy storage and conversion of vehicles and their connection to the grid. The extended energy system is modelled on vehicles flows on the highway and a single objective optimization is performed to define the optimal energy storage capacity of the vehicles and the optimal number of recharges of from the grid. The recharging time and the occupation rates of the chargers are as well evaluated. The optimality is researched for long way drives on electric mode. An innovative mobile robot, equipped with energy power system, does the recharging of the high voltage batteries. The navigation function is central in the design of the mobile robot. The experimental results on a mobile robot platform show a distance error lower than 0.7% and an angle error less than 0.5%, promising for the acceptable accuracy of the system. This research studies an innovative concept (SOFC-GT a Solid Oxide Fuel Cell with gas turbine module) for vehicle propulsion, considered to deliver mobility services and integrated energy services for a household. The major advantage of the energy integrated dual system is the reduction of the total global warming potential (GWP) impact by around 30000 kg CO2 eq. (60%) (from 50590 kg CO2 eq. to 20338 kg CO2) in comparison to separate energy services for mobility and household needs.•Energy storage and conversion systems for energy vectors; fuel cell electric vehicles, hydrogen and their ecosystemThis report researches the use of SOFC system powered by hydrogen produced through reforming of liquid fuel from renewable resources such as bioethanol. The SOFC installation has an integrated fuel reformer. Ni doped with a small amount of Pd as an active phase components is used for catalyst of the bio-ethanol steam reforming. The catalyst, which is used during the process, has an important role to achieve 100% conversion because it increases the rate of reaction in such a way that the system tends toward thermodynamic equilibrium. To consider the impact of the different energy vectors, well-to-wheels balance on the energy efficiency and the CO2 emissions is done and discussed for different vehicles propulsion systems.Le fil conducteur des recherches présentées dans ce manuscrit d'habilitation est l'amélioration de l'efficacité des systèmes énergétiques des véhicules, la réduction de leurs émissions, au travers de solutions compétitives et rentables de technologies de stockage et de conversion d'énergie. La recherche porte sur l'efficacité énergétique ainsi que sur les études d'impacts économiques et environnementaux des systèmes énergétiques innovants. Dans ce manuscrit, les systèmes énergétiques des véhicules évoluent des systèmes autonomes embarqués vers des systèmes liés au réseau, avec des vecteurs multi-énergies. Trois grands thèmes de recherche sont développés:•Efficacité énergétique, stockage et conversion à bord des véhiculesLes moteurs à combustion interne ont une limitation de l'efficacité due principalement aux pertes thermique. En faisant une intégration énergétique, il a été démontré qu'un cycle de Rankine à fluide organique peut améliorer l'efficacité globale du groupe motopropulseur en récupérant la chaleur et en la transformant en électricité. Parallèlement, l'attractivité des véhicules électriques hybrides augmente car elle permet d'importantes économies d'énergie. Le potentiel de récupération d'énergie d'un cycle de Rankine à fluide organique pour un moteur thermique en combinaison avec une chaine de traction à faible hybridation électrique est étudié. La méthodologie de conception « environomique » est appliquée aux véhicules hybrides électriques, afin d'explorer le compromis technico-économique et environnemental pour différents niveaux d'hybridation des groupes motopropulseurs des véhicules.Les systèmes de distribution à levées de soupapes variables sont importants pour les échanges de gaz et influencent directement l'efficacité effective du moteur à combustion interne. Cette recherche présente une application innovante d'un actionneur électromagnétique pour un futur système de distribution variable. La méthode de conception est inversée pour créer un modèle de loi de contrôle. L'architecture de commande est conçue pour une commande robuste de l'actionneur. Les investigations démontrent de très bonnes performances dynamiques du contrôleur de l’actionneur.Les problèmes d'autonomie et de stockage d'énergie à bord des véhicules électriques sont importants et sont introduits. Une méthode d'optimisation multi-objectifs est appliquée pour estimer les conceptions optimales de systèmes énergétiques des véhicules électriques pour la mobilité urbaine et pour la mobilité électrique à longue distance (> 500 km). Les systèmes de batterie au lithium-ion deviennent un élément de stockage majeur dans les systèmes de propulsion des véhicules. Dans cette recherche, l'étude de l'évaluation du bilan énergétique de la batterie Li-Ion est décrite. Une méthode pour déterminer le bilan énergétique par des investigations expérimentales et valider le modèle est également proposée.•Extension des systèmes énergétiques des véhicules, les véhicules en tant que systèmes liés au réseauLa recharge des véhicules et leur connexion au réseau énergétique est devenue une question importante. Le système énergétique est étendu et comprend le stockage et la conversion d'énergie des véhicules et leur connexion au réseau. Le système énergétique étendu est modélisé par des flux de véhicules sur l'autoroute et une optimisation est réalisée pour définir la capacité optimale de stockage d'énergie des véhicules et le nombre optimal de recharges sur les trajets. Le temps et les taux d'occupation des chargeurs sont également évalués. L'optimalité est recherchée pour les longs trajets en mode électrique. Un robot mobile innovant, équipé d'un système d'alimentation en énergie, recharge les batteries haute tension. La fonction de navigation est centrale dans la conception du robot mobile. Les résultats expérimentaux sur une plateforme de robot mobile montrent une erreur d’estimation de la distance inférieure à 0,7% et une erreur d’estimation d'angle inférieure à 0,5%, promettant une précision acceptable du système de navigation. Cette recherche étudie un concept innovant (SOFC-GT une pile à combustible à oxyde solide, couplé à une turbine à gaz) pour la propulsion des véhicules, considéré comme fournissant des services de mobilité, et des services énergétiques intégrés pour un ménage. Le principal avantage du système d’énergie intégrée combiné est la réduction de l'impact total du potentiel de réchauffement climatique (GWP) d’environ 30000 kg CO2 éq. (60%) (de 50590 kg CO2 éq. à 20338 kg CO2 éq.) par rapport à des services énergétiques séparés pour la mobilité et les besoins des ménages.•Systèmes de stockage et de conversion d'énergie pour les différents vecteurs énergétiques; véhicules électriques à pile à combustible, hydrogène et leur écosystèmeCe rapport étudie l'utilisation d’un système d’extension d’autonomie sur la base d’une pile à combustible à électrolyte solide (SOFC), alimenté par l'hydrogène produit par le reformage du carburant liquide à partir de ressources renouvelables telles que le bioéthanol. L'installation SOFC dispose d'un reformeur d’hydrogène intégré. Le Ni dopé avec une petite quantité de Pd est utilisé comme catalyseur du reformage du bioéthanol. Le catalyseur, qui est utilisé pendant le processus, a un rôle important pour atteindre une conversion de 100% du bioéthanol en hydrogène car il augmente la vitesse de réaction de telle manière que le système tend vers l'équilibre thermodynamique.Pour prendre en compte l'impact des différents vecteurs énergétiques, le bilan du puits à la roue de l'efficacité énergétique et des émissions de CO2 est réalisé et discuté pour différents systèmes de propulsion des véhicules