Joint optimization of the fuel consumption and regulated pollutant emissions of a gasoline-electric hybrid vehicle with a parallel configuration

Le secteur des transports est un des principaux contributeurs aux émissions de gaz à effet de serre et à la pollution de l’air. Les véhicules hybrides électriques ont été introduits pour réduire la consommation de ressources fossiles et les émissions de CO2 en optimisant l’efficacité énergétique de la motorisation. Cette thèse s’intéresse au compromis qui peut exister entre cet objectif et la réduction des émissions de polluants réglementés. Dans la première partie du travail, la programmation dynamique à trois dimensions est utilisée avec une fonction objectif qui pondère les deux critères pour déterminer la répartition optimale de puissance entre le moteur thermique et la machine électrique. La seconde partie consiste à introduire les paramètres de contrôle rapproché du moteur thermique (pression d’admission, richesse et avance à l’allumage) dans la méthode d’optimisation. L’objectif est d’identifier les différences potentielles entre la commande optimale du moteur hybridé et les stratégies habituellement utilisées pour les véhicules conventionnels. La dynamique thermique du catalyseur trois voies est modélisée pour évaluer l’efficacité du système de dépollution. Des campagnes de mesures sur deux moteurs à allumage commandé permettent de formuler des modèles simplifiés des émissions de la température des gaz, des coefficients de transferts thermiques et des efficacités du catalyseur. La convergence des résultats est validée au regard des paramètres d’optimisation (finesse de la discrétisation en particulier). Des études paramétriques permettent d’évaluer l’influence sur les résultats du facteur de pondération, du cycle de conduite (NEDC, WLTC), du dimensionnement des composants, et de certains paramètres de modélisation. L’optimisation du contrôle rapproché du moteur est analysée, en particulier concernant l’interdépendance entre les trois variables considérées. La différence entre les stratégies conventionnelles de contrôle du moteur et les résultats obtenus est discutée.The transportation sector is a major contributor to both air pollution and greenhouse gas emissions. Hybrid electric vehicles can reduce fuel consumption and CO2 emissions by optimizing the energy management of the powertrain. This study examines the trade-off between regulated pollutant emissions and hybrid powertrain efficiency. In the first part of the work, three-dimensional dynamic programming is used with a weighted objective function to determine the optimal distribution of a power request between the thermal engine and the electric motor. In the second part, we modify the control variable in order to take into account the engine actuators (intake pressure, air fuel ratio, and ignition timing). The purpose of this second control problem is to identify the potential differences between conventional solutions and optimal engine control in the context of hybridization. The thermal dynamics of the three-way catalyst are taken into account in order to model the aftertreatment efficiency. Experimental campaigns are conducted on spark-ignition engines to introduce simplified models for emissions, exhaust gas temperature, catalyst heat transfers and efficiency. The convergence of the results is analyzed with respect to the discretization parameters. Parametric studies evaluate the influence of the weighting factor, driving cycle (NEDC, WLTC), electric motor and battery sizing, as well as emission and catalyst modeling parameters. We assess the impact of including the sparkignition engine’s actuators as control variables, focusing on the interdepence between the three parameters (intake pressure, air fuel ratio, and ignition timing). We discuss the difference between the optimal engine control that we calculated for a hybrid vehicle and the standard approach in a conventionnal powertrain