Méthodologie de choix et d'optimisation de convertisseurs d'énergie pour les applications chaînes de traction automobile

par Wissam Bou Nader

Thèse de doctorat en Energétique et Génie des procédés

Sous la direction de Dominique Marchio.

Soutenue le 01-02-2019

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Christine Mounaïm-Rousselle.

Le jury était composé de Dominique Marchio, Clement Dumand, Rochdi Trigui, Charbel Mansour, Maroun Nemer.

Les rapporteurs étaient Vincent Lemort, Predrag Hrnjak.


  • Résumé

    D'importants efforts de recherche ont été investis dans l'industrie automobile sur les nouveaux carburants et les nouvelles chaînes de traction hybride électrique afin de réduire les émissions de carbone des véhicules. La consommation de carburant de ces groupes motopropulseurs hybrides dépend des performances du convertisseur d'énergie utilisé, des besoins énergétiques du véhicule, ainsi que de la stratégie de gestion énergétique déployée à bord. Cette thèse examine le potentiel de nouveaux convertisseurs d'énergie comme substitut du moteur thermique à combustion interne (ICE). Les systèmes de turbines à gaz sont considérés comme des convertisseurs d'énergie potentiel pour les chaînes de traction hybride série (SHEV), car ils offrent de nombreux avantages intrinsèques à l'automobile, tels que la capacité de fonctionner avec plusieurs carburants, la compacité, la réduction du nombre de pièces mobiles, la réduction du bruit et des vibrations. Une analyse exergo-technologique explicite est proposée pour identifier les configurations thermodynamiques réalistes. Une étude préconceptionnelle a été réalisée pour déterminer les rapports puissance/poids de ces systèmes. Un modèle SHEV est développé et les composants du groupe motopropulseur sont dimensionnés en fonction des critères de performance du véhicule. Des simulations de consommation sont effectuées sur le cycle d’homologation WLTC, en prenant en compte les besoins en énergie électrique et thermique du véhicule en plus des besoins en énergie mécanique, et en utilisant une méthode innovante d'optimisation comme stratégie de gestion de l'énergie. Le cycle turbine à gaz (avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT)) est priorisé car il offre un rendement et une densité de puissance plus élevés ainsi qu'une consommation de carburant réduite par rapport aux autres systèmes investigués. De plus, un modèle dynamique a été développé et des simulations ont été effectuées pour tenir compte de la surconsommation de carburant pendant les phases transitoires du démarrage. Des essais ont également été mis en œuvre sur certains sous-systèmes du cycle IRReGT identifié. Les résultats montrent une amélioration de la consommation de carburant avec l'IRReGT comme groupe auxiliaire de puissance par rapport à l'ICE. Par conséquent, le système IRReGT sélectionné présente un potentiel, non négligeable, qui remplacerait le moteur thermique à combustion interne dans les futures chaînes de traction hybride électriques.

  • Titre traduit

    Methodology for the selection and optimization of energy converters for automotive powertrain applications


  • Résumé

    Significant research efforts have been invested in the automotive industry on alternative fuels and new hybrid electric powertrain in attempt to reduce carbon emissions from passenger cars. Fuel consumption of these hybrid powertrains strongly relies on the energy converter performance, the vehicle energetic needs, as well as on the energy management strategy deployed on-board. This thesis investigates the potential of new energy converters as substitute of actual internal combustion engine in automotive powertrain applications. Gas turbine systems is identified as potential energy converter for series hybrid electric vehicle (SHEV), as it offers many automotive intrinsic benefits such as multi-fuel capability, compactness, reduced number of moving parts, reduced noise and vibrations among others. An exergo-technological explicit analysis is conducted to identify the realistic GT-system thermodynamic configurations. A pre-design study have been carried out to identify the power to weight ratios of those systems. A SHEV model is developed and powertrain components are sized considering vehicle performance criteria. Energy consumption simulations are performed on the worldwide-harmonized light vehicles test cycle (WLTC), which account for the vehicle electric and thermal energy needs in addition to mechanical energy needs, using an innovative bi-level optimization method as energy management strategy. The intercooled regenerative reheat gas turbine (IRReGT) cycle is prioritized, offering higher efficiency and power density as well as reduced fuel consumption compared to the other investigated GT-systems. Also a dynamic model was developed and simulations were performed to account for the over fuel consumption during start-up transitory phases. Tests were also performed on some subsystems of the identified IRReGT-system. Results show improved fuel consumption with the IRReGT as auxiliary power unit (APU) compared to ICE. Consequently, the selected IRReGT-system presents a potential for implementation on futur SHEVs.


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