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HAL Id: tel-01144423 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01144423v4 Submitted on 4 May 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Récupération d’énergie par cycle de Rankine à bord d’un véhicule : commande et gestion énergétique Johan Peralez To cite this version: Johan Peralez. Récupération d’énergie par cycle de Rankine à bord d’un véhicule : commande et gestion énergétique. Automatique / Robotique. Université Claude Bernard - Lyon I, 2015. Français. NNT : 2015LYO10024. tel-01144423v4 Diplôme de Doctorat Spécialité Automatique Récupération d’énergie par cycle de Rankine à bord d’un véhicule : commande et gestion énergétique. Johan PERALEZ février 2015 No d’ordre : 24-2015 Année 2015 THESE DE L’UNIVERSITE DE LYON Délivrée par L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1 ECOLE DOCTORALE EEA DIPLOME DE DOCTORAT (arrêté du 7 août 2006) Spécialité AUTOMATIQUE soutenue publiquement le 25 février 2015 par Mr Johan PERALEZ TITRE : Récupération d’énergie par cycle de Rankine à bord d’un véhicule : commande et gestion énergétique. devant le jury composé de Mr Mazen ALAMIR Rapporteur Mr Yann CHAMAILLARD Examinateur Mr Roberto CIPOLLONE Examinateur Mr Pascal DUFOUR Directeur de thèse Mr Vincent LEMORT Rapporteur Mme Madiha NADRI WOLF Co-directeur de thèse Mr Olivier SENAME Président du jury Mr Paolino TONA Encadrant IFPEN et Mr Antonio SCIARRETTA Encadrant IFPEN, membre invité UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1 Président de l’Université Vice-président du Conseil d’Administration Vice-président du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire Vice-président du Conseil Scientifique Directeur Général des Services M. François-Noël GILLY M. le Professeur Hamda BEN HADID M. le Professeur Philippe LALLE M. le Professeur Germain GILLET M. Alain HELLEU COMPOSANTES SANTE Faculté de Médecine Lyon Est – Claude Bernard Faculté de Médecine et de Maïeutique Lyon Sud – Charles Mérieux Faculté d’Odontologie Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques Institut des Sciences et Techniques de la Réadaptation Département de formation et Centre de Recherche en Biologie Humaine Directeur : M. le Professeur J. ETIENNE Directeur : Mme la Professeure C. BURILLON Directeur : M. le Professeur D. BOURGEOIS Directeur : Mme la Professeure C. VINCIGUERRA Directeur : M. le Professeur Y. MATILLON Directeur : Mme. la Professeure A-M. SCHOTT COMPOSANTES ET DEPARTEMENTS DE SCIENCES ET TECHNOLOGIE Faculté des Sciences et Technologies Département Biologie Département Chimie Biochimie Département GEP Département Informatique Département Mathématiques Département Mécanique Département Physique UFR Sciences et Techniques des Activités Physiques et Sportives Observatoire des Sciences de l’Univers de Lyon Polytech Lyon Ecole Supérieure de Chimie Physique Electronique Institut Universitaire de Technologie de Lyon 1 Ecole Supérieure du Professorat et de l’Education Institut de Science Financière et d'Assurances Directeur : M. F. DE MARCHI Directeur : M. le Professeur F. FLEURY Directeur : Mme Caroline FELIX Directeur : M. Hassan HAMMOURI Directeur : M. le Professeur S. AKKOUCHE Directeur : M. le Professeur Georges TOMANOV Directeur : M. le Professeur H. BEN HADID Directeur : M. Jean-Claude PLENET Directeur : M. Y.VANPOULLE Directeur : M. B. GUIDERDONI Directeur : M. P. FOURNIER Directeur : M. G. PIGNAULT Directeur : M. le Professeur C. VITON Directeur : M. le Professeur A. MOUGNIOTTE Directeur : M. N. LEBOISNE Remerciements En premier lieu, je tiens à remercier mon directeur de thèse, Pascal Dufour, pour la conﬁance qu’il m’a accordée en acceptant d’encadrer ce travail doctoral, pour ses multiples conseils et pour toutes les heures qu’il a consacrées à diriger cette recherche. J’aimerais également lui dire à quel point j’ai apprécié sa grande disponibilité tout au long de ce travail. Je remercie les rapporteurs de cette thèse, Mazen Alamir et Vincent Lemort pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce manuscrit et pour leurs remarques constructives. J’exprime tous mes remerciements à l’ensemble des membres du jury : Yann Chamaillard, Roberto Cipollone, Olivier Sename. Mes plus sincères remerciements s’adressent à Paolino Tona, pour le temps très important qu’il m’a consacré. La passion avec laquelle il exerce son travail et qu’il a mis au service de ce projet ont été une source continue de motivation pour moi. Je remercie Madiha Nadri qui a grandement participé à la qualité de mon mémoire. Au-delà de ses conseils scientiﬁques, j’ai été extrêmement sensible à ses qualités humaines d’écoute et de compréhension tout au long de ma thèse. Je remercie Antonio Sciarretta, ses recommandations et remarques furent à chaque fois riches de sens. Sa rigueur scientiﬁque a contribué a donner de la cohérence à ce travail. Je remercie également tous ceux qui ont rendu possible les résultats expérimentaux au sein d’IFP Energies Nouvelles. Merci à Olivier Lepreux et aux motoristes de Solaize et Rueil, leur professionnalisme, leur enthousiasme et leurs compétences m’ont beaucoup apporté. Merci aussi à Luc Voise pour son expertise technique et sa constante bonne humeur ! Je proﬁte aussi de ces lignes pour exprimer toute ma gratitude aux enseignants de l’Uni- versité Lyon I, et tout particulièrement à Jean Claude Marques et Sami Othman qui m’ont encouragé et apporté leur précieux soutien au cours de mes études. Enﬁn, merci à Firouze et Marouan, leur soutien et les nombreux moments de joie que nous avons partagés ont vaincu sans peine les quelques instants de découragements. Je dédie cette thèse à Mireille. 9 Résumé Au moins 30% de l’énergie produite par les moteurs à combustion interne est dissipée sous forme de chaleur dans les gaz d’échappement. L’intérêt des constructeurs pour les systèmes de récupération de chaleur basés sur le cycle thermodynamique de Rankine est justiﬁé par des réductions de consommation espérées entre 5 et 10%. L’ambition de cette thèse est de contribuer à lever les principaux verrous liés à la gestion des procédés Rankine pour des applications « mobiles ». Ce manuscrit s’appuie sur trois cas d’étude avec, pour chacun, un procédé pilote destiné à être intégré respectivement sur des véhicules légers à moteur essence, sur des camions poids-lourds et sur des trains à propulsion hybride Diesel-électrique. Pour cela, des approches de l’automatique à base de modèle ont été développées. Une nouvelle loi de commande non-linéaire, permettant l’asservissement de la tempéra- ture et de la pression en sortie d’évaporateur, est proposée. Il est montré expérimentalement que le système peut être maintenu dans des conditions permettant la récupération d’énergie sans discontinuer, même sur des cycles routiers très dynamiques. La supervision énergétique du cycle de Rankine à bord d’un véhicule est ensuite abordée. Il s’agit de trouver les consignes pour la commande rapprochée qui permettent de maximiser l’eﬃcacité énergétique d’un véhicule équipé d’un système de récupération d’énergie par cycle de Rankine. Il est montré que le gain énergétique apporté par l’optimisation dynamique temps réel proposée est important, comparé à une stratégie basée sur l’optimisation statique du système habituellement employée dans la littérature. Mots-Clés Récupération de chaleur résiduelle, récupération de chaleur à l’échappement, cycle de Ran- kine, échangeur de chaleur, évaporateur, frontières mobiles, supervision énergétique d’un véhicule, commande optimale, observateur implicite, programmation dynamique. Laboratoire Laboratoire d’Automatique et de Génie des Procédés, LAGEP UMR 5007, 43 boulevard du 11 Novembre, bâtiment CPE 308G, 69622 Villeurbanne Cedex. Publications Revue internationale à comité de lecture • J. Peralez, P. Tona, M. Nadri, A. Sciarretta, P. Dufour. Optimal Control for an Organic Rankine Cycle on board a Diesel-Electric Railcar. Journal of Process Control. Accepté. 10 Conférences internationales à comité de lecture • P. Tona, J. Peralez, et A. Sciarretta. Supervision and control prototyping for an engine exhaust gas heat recovery system based on a steam rankine cycle. In Advanced Intel- ligent Mechatronics (AIM), In IEEE/ASME International Conference, pages 695–701, 2012. • J. Peralez, P. Tona, A. Sciarretta, P. Dufour, et M. Nadri. Towards model-based control of a steam rankine process for engine waste heat recovery. In IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), pages 289–294, 2012. • J. Peralez, P. Tona, O. Lepreux, A. Sciarretta, L. Voise, P. Dufour, et M. Nadri. Impro- ving the control performance of an organic rankine cycle system for waste heat recovery from a heavy-duty diesel engine using a model- based approach. In IEEE Conference on Decision and Control (CDC), pages 6830–6836, 2013. • J. Peralez, P. Tona, A. Sciarretta, P. Dufour, et M. Nadri. Optimal control of a vehicular organic rankine cycle via dynamic programming with adaptive discretization grid. In 19th IFAC World Congress, pages 5671–5678, 2014 • J. Peralez, M. Nadri, P. Dufour, P. Tona, et A. Sciarretta. Control design for an au- tomotive turbine rankine cycle system based on nonlinear state estimation. In IEEE Conference on Decision and Control (CDC), pages 3316 – 3321, 2014. 11 Abstracts More than 30% of the energy produced by internal combustion engines (ICE) is dissipated as heat through the exhaust gases. The interest of manufacturers in heat recovery systems based on the thermodynamic Rankine cycle is justiﬁed by announced reductions in uploads/Industriel/ th2015-peralez-johan.pdf