1 Introduction - Thèses INP Toulouse

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Informatique et systèmes embarqués
Présentée et soutenue par :
M. YACINE GAOUA
le mercredi 17 décembre 2014
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
MODELES MATHEMATIQUES ET TECHNIQUES D'OPTIMISATION NON
LINEAIRE ET COMBINATOIRE POUR LA GESTION D'ENERGIE D'UN
SYSTEME MULTI-SOURCE: VERS UNE IMPLANTATION TEMPS REEL
POUR DIFFERENTES STRUCTURES ELECTRIQUES DE VEHICULES
HYBRIDES.
Systèmes (Systèmes)
Laboratoire Plasma et conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. STEPHANE CAUX
M. PIERRE LOPEZ
Rapporteurs :
M. AMMAR OULAMARA, UNIVERSITE DE LORRAINE
Mme MIREILLE JACOMINO, INP DE GRENOBLE
Membre(s) du jury :
1
M. THIERRY-MARIE GUERRA, UNIVERSITE DE VALENCIENNES, Président
2
M. BENOIT ROBYNS, HAUTES ETUDES D'INGENIEUR, Membre
2
M. BERTRAND LE CUN, UNIVERSITE DE VERSAILLES, Membre
2
M. PIERRE LOPEZ, LAAS TOULOUSE, Membre
2
M. STEPHANE CAUX, INP TOULOUSE, Membre

Résumé
La gestion de la distribution de l’énergie électrique dans un système multi-source (véhicule
hybride électrique) est primordiale. Elle permet d’augmenter les performances du système en
minimisant la consommation de combustible utilisée par la source principale, tout en respectant
la demande et les différentes contraintes de fonctionnement de la chaîne énergétique et de sé-
curité du système. Dans cette thèse, dans le cas où le profil de mission est connu, une approche
combinatoire est proposée en modélisant le problème de gestion d’énergie sous la forme d’un
problème d’optimisation avec satisfaction des contraintes. Celui-ci est résolu par une méthode
exacte issue de la recherche opérationnelle, conduisant à des solutions optimales en des temps
de calcul fortement réduits en comparaison avec ceux obtenus par l’application de la program-
mation dynamique ou la commande optimale. Pour éprouver la sensibilité aux perturbations,
une étude de robustesse est menée sur la base de l’analyse de la solution de pire cas d’un scé-
nario sur des profils de mission d’un véhicule. Les cas pratiques d’utilisation imposent de ne
connaître la demande du moteur électrique qu’à l’instant présent, selon le mode de conduite du
chauffeur. Afin de gérer l’énergie du véhicule en temps réel, un algorithme en ligne, basé sur
une approche de type floue, est développé. Pour mesurer la qualité de la solution floue obtenue,
une étude de performance est réalisée (recherche de l’optimum global), en ayant recours à une
optimisation hors ligne sur des profils de mission de référence, basée sur une modélisation non
linéaire du problème de gestion d’énergie. Les résultats obtenus ont permis de valider la qualité
de la solution floue résultante.
Mots-clés : Gestion d’énergie, Optimisation combinatoire, Energie distribuée, Implantation
temps-réel, Recherche opérationnelle, Robustesse.
Abstract
Managing the distribution of electrical energy in a multi-source system (hybrid electric ve-
hicle) is paramount. It increases the system performance by minimizing the fuel used by the
primary source, while respecting demand, the differents operating constraints of the energy
chain and system security. In this thesis, where the mission profile is known, a combinatorial
approach is proposed by modeling the problem of energy management as an optimization pro-
blem with constraint satisfaction. The problem is solved using an exact method from operations
research, leading to optimal solutions with reduced computation time in comparison with those
obtained by applying dynamic programming or optimal control strategies. To test the perturba-
tion sensitivity, robustness study is conducted, based on the analysis of the worst-case solution
of the worst scenario, which can be achieved on the vehicle mission profile. In practical cases,
the vehicle demand is unknown, and we have only the information about the instantaneous
demand, which depends on driving style of the driver. In order to manage on line the energy
of the vehicle, an on-line algorithm, based on a fuzzy approach is developed. To measure the
quality of the fuzzy solution obtained, a performance study is carried out (finding the optimum
solution), using an off-line optimization under reference mission profiles, based on non-linear
modeling of the power management problem. The results were used to validate the quality of
the resulting fuzzy solution.
Keywords : Energy management, Combinatorial optimisation, Smart grid, Real-time im-
plantation, Operations research, Robustness.

Remerciement
Il est indéniable que tout travail requiert un soin et une attention particuliers si on veut donner
à son contenu la quintessence, la qualité et la clarté du propos souhaitées, et ce travail ne déroge
pas à cette intention, mais pour y arriver, il faut certainement disposer de conditions favorables,
être soutenu dans les moments difficiles, encouragé, motivé et faire preuve de persévérance.
J’ai eu la chance d’être dans ce cas : l’aide de mes ainés n’a jamais failli. Qu’ils en soient re-
merciés avec toute ma gratitude et je m’adresse ici à mes directeurs de thèse, MM. Stéphane
CAUX et Pierre LOPEZ, qui n’ont pas lésiné sur leur concours, malgré leur temps précieux,
pour m’orienter et m’accompagner dans ce travail de recherche, sans oublier les membres de
l’équipe ROC du LAAS et du groupe CODIASE du LAPLACE, et spécialement M. Christian
ARTIGUES, M. Pascal MAUSSION et Madame Maria PIETRZAK-DAVID.
Je ne peux pas omettre de citer l’accueil chaleureux qui m’a été réservé au sein de l’entreprise
NEXTER ELECTRONICS et l’aide précieuse et la sollicitude de ses responsables notamment
MM. Josep Domingo SALVANY, Oliver SANCHEZ et Hervé PINEAU.
A l’université Carlos 3 de Madrid où j’ai effectué un séjour, j’ai trouvé une atmosphère stu-
dieuse de travail et de sérieux et la gentillesse personnifiée auprès de M. Andres BARRADO,
Directeur du laboratoire systèmes d’électronique de puissance et Mme Maria Carmen RAGA
ARROYO, professeur-assistante dans ce même laboratoire.
Il y a aussi des personnes qui me sont chères qui ont, sur un autre plan, déployé des efforts
immenses pour me mettre à l’aise, m’assurer de leur indéfectible soutien et de leur aide, aux
i