universite de franche-comte - Université de Franche

UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE
Thèse de doctorat en Sciences pour l’Ingénieur
présentée à
l'UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie
pour l’obtention du grade de
Docteur de l'Université de Franche-Comté
en
Génie électrique
par
Zhenwei WU
Ingénieur FEMTO-ST
CONCEPTION OPTIMALE D’UN ENTRAINEMENT
ELECTRIQUE POUR LA CHAINE DE TRACTION D’UN
VEHICULE HYBRIDE ELECTRIQUE
CO-CONCEPTION DES MACHINES ELECTRIQUES, DES CONVERTISSEURS
DE PUISSANCE ET DU REDUCTEUR PLANETAIRE
Soutenue publiquement le 21 Mars 2012 devant la commission d’examen
Président : Claude MARCHAND Professeur, Université Paris Sud
Rapporteurs : Mohamed BENBOUZID Professeur, Université de Brest
Frédéric GILLON Maître de Conférences HDR, Ecole Centrale de Lille
Examinateurs : Daniel DEPERNET Maître de Conférences, Université de Technologie
Belfort-Montbéliard
Christophe ESPANET Professeur, Université de Franche-Comté
Daniel HISSEL Professeur, Université de Franche-Comté
Walter LHOMME Maître de Conférences, Université Lille 1
Invité : Olivier PAPE Ingénieur Expert, Nexter Systems

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à Qingli

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Avant propos
Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire, ont été réalisés au sein du laboratoire Franche
Compté Électronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies (FEMTO-ST).
Je tiens tout à d’abord à remercier toutes les personnes qui ont permis la réalisation de ce travail,
notamment mon directeur de thèse, Monsieur Christophe ESPANET, Professeur à l’Université de
Franche-Comté, ainsi que mon co-encadrement et responsable du projet ARCHYBALD, Monsieur
Daniel DEPERNET, Maître de Conférences à l’Université de Technologie Belfort-Montbéliard. Je
suis extrêmement ravi d’avoir travaillé en leurs compagnies car outre leurs totales disponibilités, leurs
suivis permanents m’ont permis d’avancer dans ma thèse. J’adresse également à Monsieur Olivier
PAPE, Ingénieur chez Nexter Systems pour m’avoir permis de travailler sur un sujet industriel
militaire innovant.
Je tiens ensuite à remercier toutes les personnes du projet qui m’ont aidé pour la réalisation de ce
travail, et plus particulièrement Alain BOUSCAYROL, Professeur à l’Université de Lille 1, Monsieur
Bogdan VULTURESCU, Chargé de recherche chez IFFSTAR; Anne-Claire SAUTER, Ingénieur
stagiaire chez Nexter Systems ; TONY LETROUVE, doctorant chez PSA ; Monsieur Stéphane
BUTTERBACH, doctorant chez IFFSTAR ; ainsi que toutes les autres personnes du projet, avec qui
j’ai eu de nombreuses discussions techniques qui ont permis de faire évoluer de nombreux problèmes.
Je tiens aussi à remercier tous les membres de mon jury. J’adresse mes sincères remerciements à
Monsieur Claude MARCHAND, Professeur de l’Université Paris Sud d’avoir accepté de présider ce
jury. Je suis honoré que Monsieur Mohamed BENBOUZID, Professeur à l’Université de Brest et
Monsieur Frédéric GILLON, Maître de Conférences HDR à l’Ecole Centrale de Lille, aient accepté
d’être rapporteurs pour l’intérêt particulier qu’ils ont manifesté vis-à-vis de ce travail en acceptant
d’en être les rapporteurs.
Mes remerciements s’adressent également à Monsieur Walter LHOMME, Maître de Conférences
à l’Université Lille 1 et Monsieur Daniel HISSEL, Professeur à l’Université de Franche-Comté, pour
avoir témoigné de l’intérêt qu’ils portent à mon travail, et pour l’honneur qu’ils m’ont rendu en
acceptant d’être membre de jury.
Enfin, j’exprime ma plus grande sympathie à toutes mes collègues et mes amis pour l’amitié
qu’ils m’ont toujours témoignée.

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Table des matières
Introduction générale...................................................................................................................... 10
Chapitre 1 Motorisation électrique de la chaîne de traction hybride électrique pour véhicule
de type poids lourds......................................................................................................................... 16
1.1. Introduction....................................................................................................................................... 16
1.2. Cahier des charges du projet ARCHYBALD ................................................................................... 16
1.3. Démarche globale de conception ...................................................................................................... 18
1.4. Choix de l’architecture de la chaîne de traction hybride électrique .................................................. 19
1.4.1. Différentes architectures de véhicules ....................................................................................... 19
1.4.1.1. Architecture tout électrique ................................................................................................ 20
1.4.2. Différentes catégories d’hybridations de véhicules ................................................................... 23
1.4.2.1. Gamme d’hybridation électrique........................................................................................ 23
1.4.2.2. Architecture hybride électrique .......................................................................................... 23
1). Architecture hybride série ..................................................................................................... 23
2). Architecture hybride parallèle ............................................................................................... 25
A. Alterno-démarreurs séparés (ADS)................................................................................ 26
B. Alterno-démarreurs intégrés (ADI)................................................................................ 26
3). Architecture hybride Série/parallèle ...................................................................................... 28
1.4.3. Exemples de véhicules hybrides électriques de types poids lourds ........................................... 30
1.4.3.1. Microbus de RATP en France (architecture hybride parallèle).......................................... 30
1.4.3.2. Autobus de Irisbus Iveco en France (architecture hybride série) ....................................... 31
1). Modèle CityClass .................................................................................................................. 31
2). Modèle Citelis ....................................................................................................................... 31
3). Modèle Hynovis .................................................................................................................... 31
1.4.3.3. Prototype de camion de Mack de Volvo Trucks aux Etats-Units (architecture hybride
parallèle).......................................................................................................................................... 33
1.4.3.4. Camion de poubelle de Renault Trucks en France (architecture hybride parallèle)........... 33
1.4.3.5. Prototype de camion de Freightliner aux Etats-Units (architecture hybride parallèle)....... 34
1.4.3.6. Prototype de camion de Eaton aux Etats-Units (architecture hybride parallèle) ................ 35
1.4.3.7. Camion ECCE de la DGA en France (architecture hybride série) ..................................... 35
1.4.3.8. Véhicule militaire de 6 roues : DPE 6x6 de Nexter Systems – DGA en France (architecture
hybride série)................................................................................................................................... 37
1.4.4. Choix de l’architecture de la chaîne de traction du projet Archybald........................................ 37
1.5. Choix de la motorisation électrique du projet Archybald ................................................................. 40
1.5.1. Différents catégories de machine électrique .............................................................................. 40
1.5.1.1. Machine à courant continu avec balais-collecteur.............................................................. 42
1.5.1.2. Machine à courant continu à aimants permanents (rotor) sans balais-collecteur (brushless)
......................................................................................................................................................... 42

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1.5.1.3. Machine asynchrone ou machine à induction..................................................................... 44
1). Machine asynchrone à rotor bobiné....................................................................................... 44
2). Machine asynchrone à rotor à cage d’écureuil ...................................................................... 44
1.5.1.4. Machine à réluctance variable............................................................................................ 44
1.5.1.5. Machine synchrone ............................................................................................................ 45
1). Machine synchrone à inducteur (rotor) bobiné...................................................................... 45
A. Machine synchrone à inducteur (rotor) bobiné à pôle lisse............................................ 45
B. Machine synchrone à inducteur (rotor) bobiné à pôle saillant ....................................... 45
2). Machine synchrone à réluctance variable.............................................................................. 46
A. Machine synchrone à réluctance variable avec rotor massif.......................................... 47
B. Machine synchrone à réluctance variable avec rotor à barrière de flux ......................... 47
C. Machine synchrone à réluctance variable avec rotor laminé axialement ....................... 48
3). Machine synchrone à aimants permanents ............................................................................ 49
1.5.1. Catégories des machines synchrones à aimants permanents...................................................... 50
1.5.1.1. Machine synchrone à aimants permanents internes à saillance normale avec Lq/Ld >1.... 52
1). Machine à aimants insérés..................................................................................................... 52
2). Machine à aimants implantés radialement (ou appelée machine à concentration de flux) .... 53
3). Machine à aimants radiaux ou aimants enterrés .................................................................... 53
1.5.1.2. Machine synchrone à aimants permanents internes à saillance inverse avec Lq/Ld <1 ..... 54
A. Machine à aimants permanent montés en surface avec des anneaux de fer................... 54
B. Machine à barrières de flux en quadrature ..................................................................... 55
C. Machine hybride à double rotor ..................................................................................... 55
D. Machine à flux axial....................................................................................................... 56
1.5.1.3. Machines synchrones à aimants permanents montés en surface : Lq/Ld =1 ...................... 57
1.6. Transmission mécanique de la chaîne de traction............................................................................. 59
1.6.1. Train épicycloïdal simple .......................................................................................................... 59
1.6.2. Train épicycloïdal composé – Train Ravigneaux double étages................................................ 61
Conclusion ............................................................................................................................................... 63
Chapitre 2 Modélisation et optimisation des ensembles convertisseurs / machines électriques64
2.1. Introduction....................................................................................................................................... 64
2.2. Hypothèses........................................................................................................................................ 65
2.3. Propriétés des matériaux de la machine ............................................................................................ 66
2.4. Modèle analytique 2 de dimensionnement de la machine électrique : Modèle magnétique linéaire. 68
2.4.1. Modèle magnétique linéaire ...................................................................................................... 69
2.4.2. Modèle électrique ...................................................................................................................... 71
2.4.3. Modèle de pertes de la machine................................................................................................. 72
2.4.3.1. Calculs d’inductions dans les différentes parties de la machine......................................... 73
2.4.3.2. Calculs des pertes fer dans la culasse du stator .................................................................. 74
2.4.3.3. Calculs des pertes fer dans les dents du stator.................................................................... 74
2.4.3.4. Calculs des pertes fer totales de la machine ....................................................................... 75
2.4.3.5. Pertes joules dans les bobinages du stator.......................................................................... 76
2.4.3.6. Bilan des pertes dans le fer et le cuivre de la machine électrique....................................... 76
2.4.4. Modèle électromécanique de l’ensemble convertisseur moteur ................................................ 77
2.4.4.1. Caractéristiques statiques des paramètres mécaniques en fonction de la vitesse de rotation
......................................................................................................................................................... 77
2.4.4.2. Calcul des grandeurs électriques en fonction de la vitesse de rotation mécanique............. 79
2.4.4.3. Prise en compte du défluxage de la machine...................................................................... 81
1). Défluxage de la machine ....................................................................................................... 81
2). Tension de bus continu V
bus
................................................................................................... 82
3). Tension d’alimentation de la machine................................................................................... 82