Contribution à la conception de systèmes mécatroniques automobiles : méthodologie de pré-dimensionnement multi-niveau multi-physique de convertisseurs statiques

par Kamal Ejjabraoui

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Claude Marchand.


  • Résumé

    Les travaux de cette thèse sont effectués dans le cadre du projet O2M (Outil de Modélisation Mécatronique), labellisé par les pôles de compétitivité Mov'eo et System@tic, dont l'objectif est de développer une nouvelle génération d'outils dédiés aux différentes phases de conception de systèmes mécatroniques automobiles. Nous avons montré à travers de cette thèse l'absence d'une plateforme logicielle permettant la conception de l'ensemble des éléments d'une chaine d'actionnement mécatronique avec la même finesse et d'une méthodologie globale capable de formaliser le choix d'architecture et de considérer plusieurs contraintes multi-physiques y compris des contraintes d'intégration 3D. Dans ce contexte et au sein du sous-projet "Pré-dimensionnement" dont lequel ces travaux sont principalement concentrés, nous nous sommes intéressé au développement d'une approche de pré­dimensionnement de systèmes mécatroniques réalisée en trois niveaux : choix d'architecture et de technologies des composants, optimisation sous contraintes multi-physiques et optimisation avec intégration de la simulation numérique 3D. Une évaluation sur des outils de simulation et de conception les plus répandus sur différents critères a permis de conclure qu'une plateforme logicielle mécatronique peut être une association de certains outils tels que MATLAB-SIMULINK, DYMOLA, AMESim pour les niveaux 1 et 2 de pré­dimensionnement et COMSOL pour le niveau 3. Une adaptation de la démarche proposée est réalisée sur un élément essentiel de la chaine mécatronique, le convertisseur DC-DC. Des bases de données technologiques de composants actifs et passifs sont mises en place afin d'alimenter la démarche de pré-dimensionnement. Des modèles nécessaires à la réalisation de chaque niveau de cette démarche sont développés. Ils permettent dans le premier niveau de réaliser le choix d'architecture, d'estimer rapidement le volume des composants et de faire le choix technologique des composants selon une contrainte majeure (volume dans notre cas). Ils assurent dans le deuxième niveau l'optimisation sous contraintes multi­physiques (volume, rendement, température, spectre électromagnétique et commande). Enfin, dans le troisième niveau une association de deux logiciels (COMSOL pour la simulation éléments finis et MATLAB comme environnement d'optimisation) a été mise en place en vue d'une optimisation du placement des composants de puissance sous contrainte thermique en utilisant un modèle thermique plus fin basé sur la méthode des éléments finis. La démarche est appliquée à trois cahier des charges : convertisseur Buck, convertisseur Boost et l'onduleur triphasé. Des optimisations mono-objectif (volume) et multi-objectif (volume et rendement, volume et temps de réponse) sous contraintes multi-physiques ont été réalisées. Nous avons montré à travers ces optimisations l'impact direct des contraintes liées à la commande (temps de réponse, stabilité) au même titre que celles classiquement utilisées lors de la conception des convertisseurs statiques. De plus, nous avons montré la possibilité de lever des risques d'intégration 3D très tôt dans la phase de conception de ces convertisseurs. Cette démarche de pré-dimensionnement multi-niveau, multi-physique proposée a permis de répondre à des besoins exprimés par les partenaires industriels du projet O2M en termes de méthodologie de conception de systèmes mécatroniques automobiles.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (246 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 178-183

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2010)381
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