Abstract

International audience; The production of PhotoVoltaic (PV) energy depends on the solar irradiance level. The PV power plant fluctuations may have a significant impact on the frequency regulation in sufficiently small power systems, such as islands. The objective of this paper is to present a method using cooperative multi-agent systems to reduce the frequency fluctuations due to the unpredicted fluctuations of the PV production using electric vehicles as electricity storage units in an isolated power system.

Abstract

The interest in the electric vehicles rose recently due both to environmental questions and to energetic dependence of the contemporary society. Accordingly, it is necessary to study and implement in these vehicle fault diagnosis systems which enable them to be more reliable and safe enhancing its sustainability. In this work after a review on problem of faults in the drivetrain of series hybrid electric vehicles (SHEV), a deep investigation on fault diagnosis of AC-DC power converter and permanent magnet synchronous motor (PMSM) have been done as two important parts of traction chains in SHEVs. In other major part of this work, four types of faults (stator winding inter turn short circuit, demagnetization, eccentricity ant bearing faults) of a PMSM have been studied. Inter turn short circuit of stator winding of PMSM in different speeds and loads has been considered to identify fault feature in all operation aspects, as it is expected by electric vehicle application. Experimental results aiming short circuits, bearing and eccentricity fault detection has been presented. Analytical and finite element method (FEM) aiming demagnetization fault investigation has been developed. The AC-DC converter switches are generally exposed to the possibility of outbreak open phase faults because of troubles of the switching devices. This work proposes a robust and efficient identification method for data acquisition selection aiming fault analysis and detection. Two new patterns under AC-DC converter failure are identified and presented. To achieve this goal, four different level of switches fault are considered on the basis of both simulation and experimental results. For accuracy needs of the identified pattern for SHEV application, several parameters have been considered namely: capacitor size changes, load and speed variations. On the basis of the developed fault sensitive models above, an ANN based fault detection, diagnosis strategy and the related algorithm have been developed to show the way of using the identified patterns in the supervision and the diagnosis of the PMSM drivetrain of SHEVs. ANN method have been used to develop three diagnosis based models for : the vector controlled PMSM under inter turn short circuit, the AC/DC power converter under an open phase fault and also the PMSM under unbalanced voltage caused by open phase DC/AC inverter. These models allow supervising the main components of the PMSM drivetrains used to propel the SHEV. The ANN advantages of ability to include a lot of data mad possible to classify the faults in terms of their type and severity. This allows estimating the performance degree of that drivetrains during faulty conditions through the parameter state of health (SOH). The latter can be used in a global control strategy of PMSM control in degraded mode in which the control is auto-adjusted when a defect occurs on the system. The goal is to ensure a continuity of service of the SHEV in faulty conditions to improve its reliability.; L'intérêt pour les véhicules électriques ne cesse de croitre au sein de la société contemporaine compte tenu de ses nombreuses interrogations sur l’environnement et la dépendance énergétique. Dans ce travail de thèse, nous essayons d’améliorer l’acceptabtabilité sociétale du véhicule électrique en essayant de faire avancer la recherche sur le diagnostique des défauts d’une chaine de traction électrique. Les résultats escomptés devraient permettre à terme d’améliorer la fiabilité et la durabilité de ces systèmes.Nous commençons par une revue des problèmes des défauts déjà apparus dans les véhicules hybrides séries qui disposent de l’architecture la plus proche du véhicule électrique. Une étude approfondie sur le diagnostic des défauts d’un convertisseur de puissance statique (AC-DC) ainsi que celle du moteur synchrone à aimants permanents est menée. Quatre types de défauts majeurs ont été répertoriés concernant le moteur (court-circuit au stator, démagnétisation, excentricité du rotor et défaut des roulements). Au niveau du convertisseur, nous avons considéré le défaut d’ouverture des interrupteurs. Afin d’être dans les mêmes conditions d’utilisation réelle, nous avons effectué des tests expérimentaux à vitesse et charge variables. Ce travail est basé aussi bien sur l’expérimentation que sur la modélisation. Comme par exemple, la méthode des éléments finis pour l’étude de la démagnétisation de la machine. De même, l’essai en court-circuit du stator du moteur en présence d’un contrôle vectoriel.Afin de réaliser un diagnostic en ligne des défauts, nous avons développé un modèle basé sur les réseaux de neurones. L’apprentissage de ce réseau de neurone a été effectué sur la base des résultats expérimentaux et de simulations, que nous avons réalisées. Le réseau de neurones est capable d'assimiler beaucoup de données. Ceci nous permet de classifier les défauts en termes de sévérité et de les localiser. Il permet ainsi d'évaluer le degré de performance de la chaine de traction électrique en ligne en présence des défauts et nous renseigner ainsi sur l'état de santé du système. Ces résultats devraient aboutir à l’élaboration d’une stratégie de contrôle tolérant aux défauts auto-reconfigurable pour prendre en compte les modes dégradés permettant une continuité de service du véhicule ce qui améliorera sa disponibilité.

Abstract

The future development of electric vehicles is mostly dependent of improvements in battery performances. In support of the actual research of new materials having higher performances in terms of energy, power, durability and cost, it is necessary to develop modeling tools. The models are helpful to simulate integration of the battery in the powertrain and crucial for the battery management system, to improve either direct (e.g. preventing overcharges and thermal runaway) and indirect (e.g. state of charge indicators) safety. However, the battery models could be used to understand its physical phenomena and chemical reactions to improve the battery design according with vehicles requirements and reduce the testing phases. One of the most common model describing the porous electrodes of lithium-ion batteries is revisited. Many variants available in the literature are inspired by the works of prof. J Newman and his research group from UC Berkeley. Yet, relatively few works, to the best of our knowledge, analyze in detail its predictive capability. In the present work, to investigate this model, all the physical quantities are set in a dimensionless form, as commonly used in fluid mechanics: the parameters that act in the same or the opposite ways are regrouped and the total number of simulation parameter is greatly reduced. In a second phase, the influence of the parameter is discussed, and interpreted with the support of the limit cases. The analysis of the discharge voltage and concentration gradients is based on galvanostatic and pulse/relaxation current profiles and compared with tested commercial LGC cells. The simulations are performed with the software Comsol® and the post-processing with Matlab®. Moreover, in this research, the parameters from the literatures are discussed to understand how accurate are the techniques used to parametrize and feed the inputs of the model. Then, our work shows that the electrode isotherms shapes have a significant influence on the accuracy of the evaluation of the states of charges in a complete cell. Finally, the protocols to characterizes the performance of commercial cells at different C-rates are improved to guarantee the reproducibility.; Le développement futur des véhicules électriques est lié à l’amélioration des performances des batteries qu’ils contiennent. Parallèlement aux recherches sur les nouveaux matériaux ayant des performances supérieures en termes d'énergie, de puissance, de durabilité et de coût, il est nécessaire développer des outils de modélisation pour : (i) simuler l'intégration de la batterie dans la chaine de traction et (ii) pour le système de gestion de la batterie, afin d'améliorer la sécurité et la durabilité. Soit de façon directe (par exemple, la prévention de surcharge ou de l’emballement thermique) soit de façon indirecte (par exemple, les indicateurs de l’état de charge). Les modèles de batterie pourraient aussi être utilisés pour comprendre les phénomènes physiques et les réactions chimiques afin d'améliorer la conception des batteries en fonction des besoins de l’utilisateur et de réduire la durée des phases de test. Dans ce manuscrit, un des modèles les plus communs décrivant les électrodes poreuses des batteries au lithium-ion est revisité. De nombreuses variantes dans la littérature s’inspirent directement du travail mené par le professeur J. Newman et son équipe de chercheurs à l’UC Berkeley. Pourtant relativement peu d’études analysent en détail les capacités prédictives de ce modèle. Dans ce travail, pour étudier ce modèle, toutes les grandeurs physiques sont définies sous une forme adimensionnelle, comme on l'utilise couramment dans la mécanique des fluides : les paramètres qui agissent de manière identique ou opposée sont regroupés et le nombre total de paramètres du modèle est considérablement réduit. Cette étude contient une description critique de la littérature incluant le référencement des paramètres du modèle développé par le groupe de Newman et les techniques utilisées pour les mesurer, ainsi que l’écriture du modèle dans un format adimensionnel pour réduire le nombre de paramètres. Une partie expérimentale décrit les modifications de protocoles mis en œuvre pour améliorer la reproductibilité des essais. Les études effectuées sur le modèle concernent d’une part l’identification des états de lithiation dans la cellule avec un attention particulière sur la précision obtenue, et enfin une prospection numérique pour examiner l’influence de chaque paramètre sur les réponses de la batterie en décharge galvanostatique puis en mode impulsion et relaxation.

Abstract

Transport industry being one the first CO2 emitters, there is an urgent need to decarbonize this sector, which could be achieved by the conjunction of the electrification of the vehicles and decarbonization of the electricity generation mix. In conjunction with increasing flexibility needs to support the introduction of Renewable Energy Sources, the development of Electric Vehicles could add new constraints for System Operators if charging process is not managed in a smart way.However, considering mobility requirements, there is a flexibility in the charging pattern of the vehicles, which could be used to offer flexibility services to System Operators, using smart-charging algorithms. Moreover, this flexibility could increase with the possibility to have reverse flow from the battery to the grid.Research focused mainly, during last years, on the design of algorithms to provide services with electric vehicles, taking into account mobility needs of users. In this thesis, we try to go beyond this design of algorithms, going through the different steps to elaborate a viable business model. We focus on the provision of one service – Frequency Containment Reserve – identified as the most valuable for Electric Vehicles equipped with bidirectional chargers.; Les ventes de Véhicules Electriques ont été en constante augmentation ces dix dernières années, stimulées par l’adoption de politique publique favorisant la décarbonation du secteur automobile. Dans un contexte d’accroissement des énergies renouvelables dans le mix énergétique, entraînant des besoins plus important en flexibilité, la diffusion massive des véhicules électriques pourrait constituer une nouvelle source de contrainte pour les gestionnaire de réseaux d'électricité si la recharge n’est pas gérée de manière intelligente.La gestion de la recharge des flottes de Véhicules Electriques peut aussi constituer une opportunité pour apporter cette flexibilité, en particulier si les véhicules sont équipés de chargeurs bidirectionnels, capables de réinjecter de l’électricité dans le système pour équilibrer les réseaux.La recherche s’est principalement intéressée à la conception d’algorithmes permettant cette recharge « intelligente », qui prennent en compte les besoins en mobilité des utilisateurs, tout en fournissant différents services de flexibilité.Cette thèse s’attache à aller au-delà de l’aspect algorithmique, en balayant l’ensemble des aspects qui permettraient d’aboutir à un modèle d’affaire viable, et en se focalisant sur la fourniture d’un type de service : la réserve primaire (Frequency Containment Reserve), qui constitue le service identifié comme ayant la plus forte valeur pour des flottes de Véhicules équipés de chargeurs bidirectionnels.

Abstract

Reliable and unceasing exploitation of power electronic converters plays a major part in every application. This PhD thesis comes up with new opened-up reliability assessment frameworks and demonstrates the feasibility of using multistate degraded system analysis and interval analysis as well for attaining much more accuracy in reliability evaluation. Considering self- and coupling degradation effects of the items and assessing reliability in the system level are important issues which are still lacking in the previous studies and the present thesis has made an effort to overcome these problems. The thesis tries to launch two distinct reliability assessment frameworks, namely interval reliability and Multistate degraded system reliability.Interval reliability is capable of introducing an interval useful lifetime for DC-DC power electronic converters in which the self and coupling degradations effects of items have been taken into account. Fundamentally, it is based on the conventional physics of failure reliability assessment. Based on this method, instead of obtaining an inaccurate reliability value, one can attain an interval for the reliability of a global system whose useful lifetime undoubtedly lays between the boundaries. This method is able to consider degradation dependencies and assess multi-component system level reliability but not redundant system. An attempt was made to enhance the conventional reliability framework to reach a systematic approach capable of estimating a reliability assessment considering self and mutual degradation effects and being able to evaluate system-level reliability including redundant system. Multistate degraded system reliability analysis is capable of estimating system-level reliability, while mission profile and physics of failure of the system’s items are taken into account. In addition, the self and mutual degradation effects of items on the operation of the global system have been considered. The multi-state degraded system reliability model exposed to multiple failure processes has been generalized. The operating condition of the global system is defined by a finite number of states. Not only can the proposed framework be employed in determining the reliability of the degraded systems in terms of multi-state functions, but also it can obtain the states of the systems by estimating the system state probabilities.As an application, a DC-DC power electronic system containing three critical items has been studied. In this case study, two power semiconductors, namely IGBT and diode, and a power capacitor have been considered as three degradation processes and their aging effects on the useful lifetime estimation of the power electronic system have been discussed. For having a sense about newly proposed reliability frameworks, a 3000W and 200/400 V conventional DC-DC converter for electric vehicle application exposed to WLTP driving cycle is considered.; La fiabilité et la sureté de fonctionnement de l'électronique de puissance jouent un rôle majeur aujourd'hui dans l'industrie. Cette thèse propose un nouveau cadre d'étude de la fiabilité à partir de deux méthodes afin d'améliorer la précision des études de fiabilité : une analyse utilisant la méthode des système dégradés multi état, et une analyse par intervalles. La considération des effets de dégradation propres et couplés de chaque composant est également une problématique qu'il reste aujourd'hui à étudier et qui est traitée dans ce travail.L'étude de la fiabilité par intervalles permet d'estimer des intervalles de durée de vie des convertisseurs DC/DC en prenant en compte les dégradations propres et mutuelles des composants. Fondamentalement, cette méthode est basée sur la compréhension des phénomènes physiques. A partir de cette méthode, on peut obtenir un intervalle pour la durée de vie d'un système complet. Cette méthode n'est toutefois pas adaptée aux systèmes redondants.De son côté, la fiabilité des systèmes dégradés multi-états est capable de proposer une étude au niveau système en prenant en compte le profil de mission et la physique des dégradations.Cette méthode a été généralisée dans cette thèse au procédés subissant de multiples dégradations. L'exemple d'un convertisseur DC/DC conprenant trois composants critiques a été étudié comme cas d'application. Deux composants semiconducteurs, diode et IGBT, et un condensateur sont considérés comme trois process de dégradation et l'effet de leur vieillissement sur la durée de vie du convertisseur est discutée. Le convertisseur étudié a pour puissance 3 kW (200/400V) et est dédié aux applications de type véhicule électrique. Il subit un profil de mission typique automobile (cycle WLTP).

Abstract

Increasing energy efficiency is nowadays a requirement in all technical fields. The reduction of global consumption, thus carbon footprint, has become the world's priority, as for example, the climate and energy package of the European Union.Railways' share of energy consumption is one of the highest. Electrical solutions are developed in order to reduce these systems' losses, optimize their consumption and reduce global energy bill. Given their diversity, two main categories are considered in this study. The first one consists of urban lines that are characterized by a DC electrification and a relatively dense traffic. In this case, braking energy burned in trains' rheostats represents the main share of losses. The proposed solution is to recuperate this energy using a DC micro-grid implemented in a passengers' station. It allows an interaction with the non-railway electrical environment, for example, re-using this energy in charging electric hybrid buses parked nearby. The excess of braking energy is recuperated using a DC/DC converter and injected into a DC busbar. A second DC/DC converter will store it in a hybrid storage system. It will then serve to charge the buses connected to the DC busbar. The micro-grid is also connected to the grid using a low power AC/DC converter. A power management system ensures optimizing power flow between different components. An energy evaluation showed that this solution is a good Investment especially because no contract is needed with the energy provider. The system's stability is studied and a stabilizing command, the backstepping, is applied. This new smart station allows railways to communicate, energetically, with its evolving environment.The second category is suburban and high speed lines that are AC electrified. Contrarily to the previous case, braking energy is reinjected to the upper grid through substations. Therefore, a second solution is to reduce global energy consumption by optimizing trains' speed profiles and timetable's synchronization. It is done using a differential evolution algorithm. Each speed profile is divided into zones to which are associated driving parameters. The optimization of the latter allowed generating new optimal speed profiles and a less-consuming timetable. Simulation results showed that it is possible to make important energy savings while respecting train's punctuality.; L'amélioration de l'efficacité énergétique est devenue aujourd'hui une nécessité dans tous les domaines techniques. La réduction de la consommation, et donc du bilan carbone, est placée parmi les priorités mondiales tel que le paquet énergie-climat 2020 de l'Union Européenne.Les systèmes ferroviaires font partie des plus grands consommateurs d'énergie. Des solutions électriques sont développées pour réduire les pertes dans ces systèmes, optimiser la consommation et donc réduire la facture énergétique globale. Étant donné la diversité de ces systèmes, deux catégories principales sont considérées. La première regroupe les lignes urbaines caractérisées par une électrification en mode DC et un trafic relativement dense. Dans ce cas, l'énergie de freinage brûlée dans les rhéostats des trains constitue une perte considérable. La solution proposée consiste à récupérer cette énergie à l'aide d'un DC micro-grid installé dans une station passager. Elle permettra une interaction avec son environnement non-ferroviaire comme par exemple réutiliser cette énergie pour charger des bus électriques hybrides stationnant à proximité. Ce micro-grid contient un premier convertisseur DC/DC qui récupère l’excès d'énergie de freinage d'un train et l'injecte dans un DC busbar. Un deuxième convertisseur DC/DC va ensuite la stocker dans un système de stockage hybride pour que le bus électrique puisse se charger une fois branché au DC busbar. Le micro-grid est relié au réseau par un onduleur réversible AC/DC de faible puissance. L'ensemble est géré localement par un système gestion de puissance. Une évaluation énergétique montre que cette solution est intéressante lorsqu’un investissement, station de charge, est nécessaire pour charger les bus. En plus, dans le cas du DC micro-grid, aucun contrat avec le fournisseur d’électricité n’est nécessaire. La stabilité du système est aussi étudiée et une commande de stabilisation, le backstepping, est appliquée. Ce nouveau concept d’une future station intelligente permettra au système ferroviaire de communiquer avec son environnement qui est en pleine évolution.La deuxième catégorie est constituée par les lignes régionales et les lignes à grandes vitesses fonctionnant en mode AC. Contrairement au cas précédent, l’excès d’énergie de freinage est renvoyé à travers les sous-stations d’alimentation. Par conséquence, une deuxième solution propose la réduction de la consommation totale par l’optimisation du profile de vitesse de chaque train et la synchronisation de la grille horaire. Ceci est réalisé à l’aide d’un algorithme d’évolution différentielle. Chaque profile de vitesse est découpé en zones auxquelles sont attribuées des paramètres de conduite. L'optimisation de ces derniers permet de générer un nouveau profile de conduite optimal. Les résultats montrent la possibilité de faire des économies d’énergie tout en respectant la ponctualité des trains.

Abstract

International audience; Africa is on the way of a long term development to give access to energy to all citizens wherever they live, either in urban or rural areas. The energy access is mandatory to accelerate the economic growth. Besides, African citizens also require a better access to mobility, both individual or collective. African countries also encourage initiatives for clean electricity generation and clean mobility. Thus, considering the innovative smart grids solutions that are already proposed or will be proposed in the future, electric mobility means could bring distributed energy storage capacities to the electrical grids. This could mainly be true in the case of islanding areas were photovoltaic generation will likely deliver the main part of electrical energy. The present paper aims at promoting the idea of a coupled approach for energy and mobility developments considering the storage capacities of electric vehicles or electric motorcycles.

Abstract

International audience; The HVAC system represents the main auxiliary load in electric vehicles (EVs) and requires efficient control approaches that balance energy saving and thermal comfort. In fact, passengers always demand more comfort, but on the other hand the HVAC system consumption strongly impacts the vehicle driving range, which constitutes the major concern in EVs. In this paper, dynamic programming is applied to develop an HVAC system supervisor that optimizes the thermal comfort on a given journey, for given climatic conditions and energy available. The electric vehicle model and the optimization approach are presented. Two test- cases, corresponding to hot climate, are simulated. In the first one, the energetic cost of improved comfort is quantified, while in the second one the trade-off between driving speed and thermal comfort is analyzed.

Abstract

International audience; This paper addresses the challenge of monitoring battery in fleets of electric vehicles (EV). The goal is to identify the different EV utilization modes, during real use, and to highlight the constraining conditions to manage battery health evolution. The other part of this study aims to build a battery capacity estimation model, permitting to estimate the remaining capacity of an EV during its real use. Finally, is explained a strategy to improve capacity estimates, based on the identified EV utilization modes.

Abstract

International audience; The present paper focuses on wireless energy transfer mechanisms applied to urban electric vehicles. It describes the using conditions of a particular transformer without ferromagnetic core, supplied by a resonant inverter and loaded by mobile sources (catenaries with magnetic induction to power electric vehicles). The system consists of unconventional transformers with large air-gaps and a generator who supplies the transformer. The paper describes the theoretical model used for the numerical simulation (magnetic circuit, power converter, loads), and the measurements provided by our experimental platform (Tesla lab.). The transformer is supplied by a half-bridge series resonant converter. The transformer secondary coil is mobile compared to the primary, which is fixed on the road. This system is found in many industrial applications such as light automatic vehicles, tramways, etc. In this work we will show that the performance of a transformer without magnetic circuit can be equivalent to a standard transformer.