Model-based optimization of electrical system in the early development stage of hybrid drivetrains

par Quentin Werner

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Noureddine Takorabet et de Serge Pierfederici.

Le président du jury était Betty Lemaire-Semail.

Le jury était composé de Xuefang Lin-Shi, Abdesslem Djerdir, Alexandre de Bernardinis, Randy Doolittle, Steffen Henzler.

Les rapporteurs étaient Xuefang Lin-Shi, Abdesslem Djerdir.

  • Titre traduit

    Modélisation des composants électriques pour l'optimisation des systèmes hybrides durant la phase pré-développement des véhicules


  • Résumé

    Cette thèse analyse les challenges auxquels sont confrontés les composants électriques pour les systèmes de traction hybrides. L’analyse de ces composants et de leurs interactions en tant qu’entité indépendante est un sujet de recherche important afin de dimensionner de manière optimale le système au lieu de combiner des composants optimaux. Les véhicules hybrides sont un domaine de recherche qui suscite un grand intérêt parce qu’il s’agit d’une solution efficace à court terme afin de préparer la transition énergétique vers les véhicules à zéro émission. Malgré les avantages de cette solution, c’est un sujet de recherche complexe car les composants électriques doivent être intégrés dans un système de propulsion conventionnel. Ainsi le but de ce travail de recherche est axé sur la détermination de méthodes appropriées pour étudier les composants électriques et les contributions apportées par cette thèse visent à répondre à la problématique suivante : déterminer le niveau suffisant de détails pour modéliser les systèmes électriques pour les systèmes de traction pour véhicules hybrides afin d’identifier le dimensionnement idéal des composants pour différents systèmes pendant la phase de développement. Afin de résoudre cette problématique, ce rapport est divisé en quatre parties au sein de six chapitres. D’abord l’état de l’art des véhicules hybrides, des composants électriques ainsi que des méthodes d’optimisation associées sont présentés (chapitre 1). Ensuite, pour chaque composant (chapitre 2 à 4), des méthodes de modélisation appropriées sont déterminées afin de les modéliser mais aussi afin d’évaluer leur intégration dans le système de propulsion. Puis, une solution pour l’étude du système globale est déterminée à partir de l’analyse de travaux précédents (chapitre 5). Finalement, une approche d’optimisation est développée et permet d’analyser différents systèmes ainsi que l’influence de différents paramètres sur le dimensionnement (chapitre 6). Grâce à l’analyse du développement actuel et des travaux précédents sur le sujet ainsi qu’au développement d’outils de simulation, cette thèse étudie et analyse les relations entre le niveau de tension et de courant, et les performances du système dans différents cas. Les résultats permettent de déterminer l’influence de ces paramètres sur les composants ainsi que l’impact de l’environnement industriel sur les résultats. En tenant compte du cadre législatif actuel, les résultats convergent globalement tous dans la même direction : une réduction du niveau de tension, respectivement une augmentation du courant, entraine une amélioration du système global par rapport aux méthodes de dimensionnent actuelles. Ces observations sont liées à l’architecture, au cycle d’évaluation et à l’environnement considérés mais les méthodes et l’approche développée ont posé les bases pour étendre les connaissances dans le domaine de l’optimisation des véhicules hybrides. En plus de l’optimisation générale, des cas particuliers sont analysés afin de montrer la modularité des méthodes et l’influence de paramètres supplémentaires (système 48V ou convertisseur Boost). Afin de conclure, cette thèse a mis en place les bases pour l’étude des composants électriques pour les véhicules hybrides. De part un environnement fluctuant et les nombreuses technologies possibles, ce sujet suscite encore un grand intérêt et les points suivants peuvent être encore étudiés de manière plus détaillée : * Application des méthodes pour d’autres systèmes de propulsion (autre architectures hybrides, véhicule à pile à combustible ou tout électrique), * Étude de nouvelles technologies comme le carbure de silicium pour l’électronique de puissance, la machine à reluctance variable ou le sulfure de lithium pour les batteries, * Analyse d’autre cycle d’évaluation ainsi que leur cadre législatif, * Mise en place de structures additionnelles pour l’électronique de puissance, * Validations supplémentaires avec d’autres composants


  • Résumé

    This work analyses the challenges faced by the electric components for traction purpose in hybrid drivetrains. It investigates the components and their interactions as an independent entity in order to refine the scope of investigation and to find the best combinations of components instead of the best components combinations. Hybrid vehicle is currently a topic of high interest because it stands for a suitable short-term solution towards zero emission vehicle. Despite its advantages, it is a challenging topic because the components need to be integrated in a conventional drivetrain architecture. Therefore, the focus of this work is set on the determination of the right methods to investigate only the electric components for traction purpose. The aim and the contributions of this work lies thereby in the resolution of the following statement: Determine the sufficient level of details in modeling electric components at the system level and develop models and tools to perform dynamic simulations of these components and their interactions in a global system analysis to identify ideal designs of various drivetrain electric components during the design process. To address these challenges, this work is divided in four main parts within six chapters. First the current status of the hybrid vehicle, the electric components and the associated optimization methods and simulation are presented (first chapter). Then for each component, the right modeling approach is defined in order to investigate the electrical, mechanical and thermal behavior of the components as well as methods to evaluate their integration in the drivetrain (second to fourth chapter). After this, a suitable method is defined to evaluate the global system and to investigate the interactions between the components based on the review of relevant previous works (chapter five). Finally, the last chapter presents the optimization approach considered in this work and the results by analyzing different system and cases (chapter six). Thanks to the analysis of the current status, previous works and the development of the simulations tools, this work investigates the relationships between the voltage, the current and the power in different cases. The results enable, under the considered assumptions of the work, to determine the influence of these parameters on the components and of the industrial environment on the optimization results. Considering the current legislative frame, all the results converge toward the same observation referred to the reference systems: a reduction of the voltage and an increase of the current leads to an improvement of the integration and the performance of the system. These observations are linked with the considered architecture, driving cycle and development environment but the developed methods and approaches have set the basis to extend the knowledge for the optimization of the electric system for traction purpose. Beside the main optimization, special cases are investigated to show the influence of additional parameters (increase of the power, 48V-system, machine technology, boost-converter…) In order to conclude, this work have set the basis for further investigations about the electric components for traction purpose in more electrified vehicle. Due to the constantly changing environment, the new technologies and the various legislative frame, this topic remains of high interest and the following challenges still need to be deeper investigated: * Application of the methods for other drivetrain architecture (series hybrid, power-split hybrid, fuel-cell vehicle, full electric vehicle), * Investigation of new technologies such as silicon-carbide for the power electronics, lithium–sulfur battery or switch reluctance machine, * Investigation of other driving cycle, legislative frame, * Integration of additional power electronics structure, * Further validation of the modeling approaches with additional components



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 24-05-2022

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université de Lorraine. Direction de la documentation et de l'édition. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.