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UNIVERSITÉ DE NANTES _____ ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORM

UNIVERSITÉ DE NANTES _____ ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION ET DE MATHÉMATIQUES Année 2012 Dimensionnement de la chaîne de traction d’un véhicule électrique hybride basé sur une modélisation stochastique de ses profils de mission ___________ THÈSE DE DOCTORAT Discipline : Génie Électrique Spécialité : Électronique & Génie Électrique Présentée et soutenue publiquement par Gwenaëlle SOUFFRAN Le 5 juillet 2012, devant le jury ci-dessous Président : M. BOUSCAYROL Alain Professeur, L2EP / Université Lille 1 Rapporteurs : M. ANDRÉ Michel Directeur de Recherche, LTE / IFSTTAR, Bron M. SARENI Bruno Maître de Conférences HDR, LAPLACE / INPT, Toulouse Examinateurs : M. LORON Luc Professeur, IREENA / Polytech’Nantes, St Nazaire M. GUÉRIN Patrick Maître de Conférences HDR, IREENA / IUT de St Nazaire Mme MIÈGEVILLE Laurence Maître de Conférences, IREENA / Polytech’Nantes, St Nazaire Directeur de thèse : Patrick GUÉRIN Co-encadrante : Laurence MIÈGEVILLE ED : 503 - 164 N° attribué par la bibliothèque i AVANT-PROPOS Ce mémoire de thèse présente les travaux réalisés au sein de l’équipe Maîtrise de l’Énergie Électrique (MEE) à l’Institut de Recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique (IREENA) dans le cadre d’une Allocation de Recherche du Ministère. Mes sincères remerciements sont adressés à :  Monsieur Alain BOUSCAYROL pour avoir accepté de présider le jury de ma soutenance et pour ses réflexions constructives sur mes travaux,  Monsieur Michel ANDRÉ, rapporteur lors de mon suivi de thèse ainsi que pour mon mémoire, pour avoir lu et jugé mon travail. Ses suggestions pertinentes et les différentes questions soulevées tout au long de ces années ont contribué à l’élaboration de cette étude,  Monsieur Bruno SARENI, rapporteur de ce manuscrit, pour avoir lu et jugé mon travail. Ses questions et remarques pertinentes ont contribué à l’amélioration de ce mémoire,  Monsieur Luc LORON, rapporteur lors de mon suivi de thèse et examinateur lors de ma soutenance, pour les discussions constructives et les conseils judicieux prodigués tout au long de ces années. Je tiens à remercier mon directeur de thèse, Monsieur Patrick GUÉRIN, pour m’avoir guidé dans cette aventure qu’est la thèse et pour m’avoir fait évoluer dans mes analyses et ma prise d’initiative, ainsi que mon encadrante, Madame Laurence MIÈGEVILLE, pour son soutien moral à toute épreuve et pour son aide précieuse à la rédaction d’articles dans la langue de Shakespeare. J’exprime toute ma reconnaissance à Monsieur Mohamed MACHMOUM et à Monsieur Luc LORON, responsables du laboratoire IREENA et de l’équipe MEE respectivement, pour les opportunités et la confiance qu’ils m’ont accordées en tant que simple doctorante et représentante des doctorants aux conseils de l’école doctorale et du laboratoire. Je voudrais aussi remercier tout le personnel enseignant-chercheur, administratif et technique de l’IREENA, de Polytech’Nantes, de l’IUT de St Nazaire et de l’IUT de Nantes avec qui j’ai partagé ces années de recherche et d’enseignement. Un merci spécial à Christine BROHAN et Franck JUDIC pour leur disponibilité et leur bonne humeur. ii Merci aux « jeunes permanents », Jean-Christophe OLIVIER, Nicolas BERNARD, Salvy BOURGUET, Didier TRICHET et Luc MOREAU pour les bons moments passés ensemble sur les mots fléchés à la pause café, en soirée ou à Paimpol. Merci aussi aux « plus expérimentés », Mohammed El Hadi ZAIM, Mohamed MACHMOUM, Fouad BENKHORIS, Jean-Claude LE CLAIRE, Nadia et Mourad AIT-AHMED, Gérard BERTHIAU et les autres. Je tiens ensuite à remercier mes compagnons de galère en commençant par les anciens doctorants (on doit les appeler Docteurs à présent). Merci à Jérôme DELANOE pour ses conseils avisés et pour m’avoir fait vivre en avant-première un dépôt de thèse trois mois après mon arrivée au labo. Merci à Nicolas AMELON, Christophe KONATE, Brahim RAMDANE et Mohamed BELKADI pour m’avoir rapidement intégrée dans le haut couloir des doctorants au deuxième étage et pour le travail d’équipe dans la refonte de la salle de pause. Merci à Florian DUPRIEZ- ROBIN pour m’avoir permis de ne pas partir de zéro. Un merci tout particulier à mes compagnons de promo : Guillaume WASSELYNCK, pour nos échanges de corrections de fond contre corrections orthographiques, et Geoffroy ROBLOT, pour notre soutien et nos encouragements mutuels en période(s) de doute, même à distance. Un grand merci à ma super voisine de bureau Yue LI, de la promo suivante, qui cuisine un riz cantonais à tomber, qui m’a soutenue lors de mes moments difficiles en rédaction et qui a rédigé en un temps record grâce à sa volonté incroyable. Je souhaite enfin tout plein de courage aux prochains : Sony TRIESTE, Floran MARTIN et les autres… Gardez confiance en vous ! Un remerciement spécial aux membres de mon association de danse africaine Yélèssè pour m’avoir offert leur soutien inconditionnel, pour leur culture et leur ouverture d’esprit qui m’ont amené à évoluer et pour m’avoir permis de m’évader chaque semaine au son des djembés. Je tiens finalement à remercier tous mes proches, mes parents, ma famille et mes amis, pour leur soutien infaillible. Combien de fois ai-je pu entendre « Des chercheurs qui cherchent, on en trouve, mais des chercheurs qui trouvent, on en cherche… » ? Merci d’avoir quand même cru en moi et je vous le promets : j’arrête là les études ! Enfin, merci à tous ceux que je n’ai pas cités mais qui ont compté pour moi. Sur ce, une page se tourne pour vous et pour moi, bonne lecture ! iii TABLE DES MATIERES Nomenclature ........................................................................................ v Introduction générale ................................................................................ 1 Chapitre 1 Véhicules hybrides : définition et problématique ..................... 7 1.1 Introduction................................................................................................................... 9 1.2 Définition d’un véhicule électrique hybride ................................................................ 10 1.2.1 Définition et historique ........................................................................................................... 10 1.2.2 Fonctionnalités ....................................................................................................................... 11 1.2.3 Composants des véhicules électriques hybrides ...................................................................... 11 1.2.4 Classification suivant l’hybridation ......................................................................................... 14 1.2.5 Architectures des véhicules électriques hybrides ..................................................................... 15 1.3 Dimensionnement d’un véhicule électrique hybride ................................................... 18 1.3.1 Modèle mécanique d’un véhicule............................................................................................ 18 1.3.2 Modélisation de l’usage d’un véhicule .................................................................................... 22 1.3.3 Modélisation d’une chaîne de traction .................................................................................... 35 1.3.4 Stratégies de gestion de l’énergie ........................................................................................... 37 1.3.5 Dimensionnement d’un véhicule ............................................................................................. 40 1.4 Conclusion ................................................................................................................... 43 Chapitre 2 Modélisation de la mission d’un véhicule ............................... 45 2.1 Introduction................................................................................................................. 47 2.2 Acquisition d’informations .......................................................................................... 48 2.2.1 Le Géo-Positionnement par Satellite (GPS) ............................................................................. 48 2.2.2 Indicateurs de caractérisation des missions ............................................................................ 48 2.2.3 Mission urbaine mesurée ........................................................................................................ 51 2.2.4 Mission extra-urbaine mesurée .............................................................................................. 53 2.2.5 Comparaison des missions mesurées aux cycles de conduite standards .................................. 55 2.3 Outils de Modélisation d’un processus temporel ........................................................ 59 2.3.1 Les méthodes d’intelligence artificielle ................................................................................... 59 2.3.2 Les méthodes statistiques ....................................................................................................... 60 2.3.3 Comparaison des méthodes et choix du modèle ..................................................................... 65 2.4 Modélisation matricielle de Markov ............................................................................ 66 2.4.1 Propriété de Markov ............................................................................................................... 66 2.4.2 Définition des matrices de transition ...................................................................................... 66 2.4.3 Exemple d’estimation des matrices de transition .................................................................... 67 2.5 Modélisation du profil de puissance............................................................................ 69 2.5.1 Application aux profils de puissance mesurés ......................................................................... 69 2.5.2 Simulations et analyses du modèle ......................................................................................... 71 2.5.3 Conclusion sur la modélisation du profil de puissance ............................................................. 77 2.6 Modélisation de la mission du véhicule ....................................................................... 78 2.6.1 Choix du nombre d’états de la modélisation ........................................................................... 78 2.6.2 Application aux missions mesurées ......................................................................................... 79 2.6.3 Simulations et analyses du modèle ......................................................................................... 81 2.6.4 Synthèse de la modélisation de la mission d’un véhicule ......................................................... 86 2.7 Conclusion ................................................................................................................... 88 iv Chapitre 3 Modèle d’un véhicule pour son dimensionnement ................. 89 3.1 Introduction .................................................................................................................91 3.2 Modélisation du véhicule ............................................................................................92 3.2.1 Variables d’entrée et de sortie du modèle ............................................................................... 92 3.2.2 Approche par les flux de puissance .......................................................................................... 94 3.3 Modèles génériques adimensionnels des composants................................................98 3.3.1 Modèle de la batterie .............................................................................................................. 98 3.3.2 Modèle de la machine électrique .......................................................................................... 104 3.3.3 Modèle du moteur thermique ............................................................................................... 108 3.3.4 Modèle du groupe électrogène ............................................................................................. 111 3.4 Stratégie de gestion de l’énergie ...............................................................................115 3.4.1 Stratégie pour la structure série ............................................................................................ 115 3.4.2 Stratégie pour la structure parallèle ...................................................................................... 124 3.5 Calcul de la consommation ........................................................................................131 3.5.1 Calcul de la consommation moyenne de carburant lors d’une mission .................................. 131 3.5.2 Application à une mission standard....................................................................................... 133 3.6 Conclusion .................................................................................................................137 Chapitre 4 Application au dimensionnement d’un véhicule hybride ...... 139 4.1 Introduction ...............................................................................................................141 4.2 Structure hybride série ..............................................................................................142 4.2.1 Algorithme de dimensionnement .......................................................................................... 142 4.2.2 Résultats du dimensionnement selon différents types de mission .......................................... 149 4.3 Structure hybride parallèle ........................................................................................162 4.3.1 Algorithme de dimensionnement .......................................................................................... 162 4.3.2 Résultats du dimensionnement selon différents types de mission .......................................... 166 4.4 Comparatif des structures par rapport aux missions .................................................172 4.5 Conclusion .................................................................................................................174 Conclusion générale .............................................................................. 175 Bibliographie….. .................................................................................... 181 ANNEXES………... .................................................................................... 189 Annexe A Etude de sensibilité à l’inclinaison de la route ...........................................................191 Annexe B Validation de la conservation de la corrélation entre les variables d’une mission ....192 Annexe C Caractéristiques techniques du GPS Garmin eTrex HC ..............................................193 Annexe D Traitement des mesures ............................................................................................194 Annexe E Composants de la base de données PSAT..................................................................196 Annexe F Dimensionnements pour la structure série ...............................................................197 Annexe G Dimensionnements pour la structure parallèle .........................................................207 v NOMENCLATURE vii NOMENCLATURE Liste des acronymes Description ARTEMIS Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems EUDC Extra-Urban Driving Cycle GE Groupe Electrogène uploads/Geographie/ dimensionnement-de-la-chaine-de-traction-souffran-these-pdf.pdf