Hybrid Vehicle Design and Control

La thèse s’intéresse au développement des technologies de véhicules hybrides. Elle comprend trois thèmes principaux : En portant des degrés de liberté supplémentaires du véhicule hybride, la stratégie de gestion ´énergétique répond aux demandes de puissance du conducteur de telle manière que la consommation totale d’essence soit minimisée. La contribution sur ce sujet est une m´méthodologie basée sur le principe du minimum de Pontryagin, des fonctions de pénalité, et la minimisation implicite du Hamiltonien. La m´méthodologie proposée est capable de calculer la stratégie de gestion ´énergétique, avec plusieurs contraintes sur les ´états. La m´méthodologie est illustrée avec deux exemples. Il est montré que la m´méthodologie proposée est jusqu’`a 46 fois plus rapide que la programmation dynamique. Dans un véhicule avec une boite de vitesses, la présence des oscillations dans la transmission, qui est plus notable quand le véhicule roule avec le 1er ou 2nd rapport engagé (et donc aux bas vitesses), arrive lorsque la dynamique de torsion de la transmission est excitée par des couples qui changent soudainement et qui atteignent des valeurs considérables. Notre contribution sur ce sujet est la conception et l’implémentation d’une loi de commande réduisant ces oscillations qui diminuent l’agrément de conduite. La commande est mise en œuvre en ajoutant un signal de commande `a la consigne de couple de la machine ´électrique demandée par le superviseur ´énergétique. La loi de commande ne requiert aucun actionneur supplémentaire. En outre, elle n’interfère pas avec la stratégie de gestion ´énergétique, et par conséquent, son effet sur la consommation d’essence est n´négligeable. Le calcul de l’architecture optimale d’un véhicule hybride est un problème considérablement complexe qui englobe l’optimisation de la stratégie de gestion ´énergétique, le choix de la technologie des composants du groupe motopropulseur (GMP), et les paramètres de ces composants. Dans ce travail, en s’appuyant sur des résultats existants, le comportement ´énergétique des composants du groupe motopropulseur est modélisé par des modèles convexes. Avec ces modèles convexes, le GMP hybride est considéré comme un réseau de puissance. La contribution principale est la formulation de la stratégie de gestion ´énergétiques et du choix de l’architecture optimales via un problème de programmation linéaire mixte en nombres entiers.This work is concerned with the development of hybrid electric vehicle technologies. It is split into three main topics : The first topic, covered in Chapter 2, is concerned with the energetic supervisory control that, by taking advantage of the extra degrees of freedom present in a hybrid vehicle, satisfies the power demand from the driver such that the total fuel consumption is minimized. This supervisory control can be cast as an optimal control problem. The contribution of this work is an approach based on Pontryagin’s minimum principle, penalty functions, and an implicit Hamiltonian minimization that allows computing the offline energy management under multiple states subject to path constraints. The approach is used to compute the supervisory control, also known as energy management strategy, for two case studies: (1) a series hybrid electric vehicle (modeled as a mixed input-state constrained optimal control with two states) under cold operating conditions and (2) a dual series hybrid electric vehicle (modeled as a mixed input-state constrained optimal control problem with two states and two inputs). The approach is shown to be up to 46 times faster than dynamic programming. The second topic, covered in Chapter 3, is concerned with the undesired driveshaft oscillations. In a vehicle with a gear-based transmission, this phenomenon is mainly noticeable at low gear ratios (and therefore low speeds) when the torsional dynamics of the driveshaft are excited with large torque values. The contribution of this work is the design and implementation of a damping controller able to significantly reduce the undesired oscillations. The controller is implemented by adding a damping torque signal to the reference torque of the electric machine commanded by the energetic supervisory control (energy management strategy). No additional actuators are required for the implementation of the controller. Moreover, the damping controller is effective without significantly interfering with the energetic supervisory control. The third topic, covered in Chapter 4, is the design of hybrid vehicle architectures. The complex task of automatically computing the optimal architecture design subsumes other important tasks such as the optimization of the supervisory control, the technology of the powertrain components, and the parametrization of such components. In this work, building upon existing results, the powertrain components are fitted into piecewise affine convex models. In this convex formulation, the hybrid powertrain is seen as a power network. The main contribution is the formulation of the energy management and the architecture design in a simultaneous framework via mixed-integer linear programming