Contribution à la conception optimale d`une chaîne de

N° d’ordre : 282
ECOLE CENTRALE DE LILLE
THESE
présentée en vue
d’obtenir le grade de
DOCTEUR
en
Spécialité : Génie Electrique
par
Pierre CAILLARD
DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE
Titre de la thèse :
Conception par optimisation d'une chaine de traction
électrique et de son contrôle par modélisation multi-physique
Thèse soutenue le 13 novembre 2015 devant le jury d’examen :
Rapporteur
C. Marchand
Professeur
GEEPS - Univ. Paris-Sud, Gif sur Yvette
Rapporteur
B. Sareni
Professeur
Laplace - ENSEEIHT, Toulouse
Examinateur
E. Semail
Professeur
L2ep - ENSAM, Lille
Examinateur
L. Gerbaud
Professeur
G2ELAB - Univ. Grenoble Alpes, Grenoble
Directeur de thèse
F. Gillon
Maître de conférences, HDR
L2ep - Ecole Centrale de Lille
Co-directeur
M. Hecquet
Professeur
L2ep - Ecole Centrale de Lille
Invité
S-A. Randi
Docteur Ingénieur
Renault, Guyancourt
Invitée
N. Janiaud
Docteur Ingénieur
Renault, Guyancourt
Thèse préparée dans le Laboratoire L2EP à l’Ecole Centrale de Lille
Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)
PRES Université Lille Nord-de-France

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Avant-propos
Ces travaux ont été effectués sous la direction de Frédéric Gillon et Michel Hecquet au sein du
laboratoire L2EP sur le site de l'Ecole Centrale de Lille, et sous la direction de Noëlle Janiaud et Sid
Ali Randi sur le site de Renault à Guyancourt. Il est difficile de citer toutes les personnes qui ont aidé
d'une façon ou d'une autre à la réalisation de cette thèse, aussi je voudrais commencer par remercier
en commun tous ceux qui m'ont apporté un soutien technique, administratif ou qui m'ont encouragé.
Je souhaiterais remercier en premier lieu M. Laurent Gerbaud d’avoir accepté de me faire
l’honneur de présider le jury. Je remercie également M. Claude Marchand et M. Bruno Sareni pour
l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail en acceptant d’en être les rapporteurs. Je tiens aussi à remercier
M. Eric Semail d’avoir accepté de faire partie du jury et pour son aide précieuse à certains moments-
clés de mon parcours.
Je tiens particulièrement à remercier M. Fréderic Gillon pour m'avoir permis d'intégrer l'équipe
Optimisation, pour avoir accepté de diriger mes travaux et pour le temps qu'il y a consacré, pour sa
disponibilité et sa confiance. Merci également à Michel Hecquet pour son éclairage sur le sujet, ainsi
qu’au personnel de l'Ecole Centrale de Lille pour sa disponibilité. Un grand merci à Mme Noëlle
Janiaud pour l'initiative de cette collaboration, et son appui énergique, ainsi qu’à Sid Ali Randi pour
son intérêt pour le sujet et son encadrement. Je souhaite également remercier Pierre-Hadrien Arnoux,
et Mathias Fakam pour leurs enrichissantes contributions, ainsi que tous ceux qui m’ont aidé, Tuan-
Vu, Julien, Philippe, Alexandru, Dmitry et bien d’autres.
Enfin, une pensée particulière pour les membres de l’équipe M&S 3EA : Benjamin, Ibrahim,
Xavier, Rémi, François, Mehdi, Joe, Zoé, Amin, Hiba, Nadia, Eric, Damien ; et les membres du
laboratoire : Mathieu, Nicolas, Martin, Vera, Laurent, Maxime, Patricio, Stéphane, Florent, et tous les
autres. Merci pour tous les bons moments.

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Table des matières
Avant-propos ................................................................................................................................................ 2
Table des matières........................................................................................................................................ 3
Table des illustrations ................................................................................................................................. 7
Liste des tableaux ....................................................................................................................................... 11
Notations et définitions ............................................................................................................................. 12
Introduction générale ................................................................................... 17
Chapitre 1 Contexte et objectifs ................................................................. 19
1.1 Contexte ......................................................................................................................................... 19
1.1.1 Différents types de motorisations .......................................................................................... 19
1.1.2 Enjeux environnementaux inhérents aux véhicules électriques ........................................ 21
1.1.3 Marché du véhicule électrique en 2014 ................................................................................. 24
1.1.4 Leviers d’améliorations ........................................................................................................... 25
1.2 Description de la chaine étudiée ................................................................................................ 26
1.2.1 Transmission ............................................................................................................................. 27
1.2.2 Machine électrique ................................................................................................................... 29
1.2.3 Onduleur ................................................................................................................................... 30
1.2.4 Batterie ....................................................................................................................................... 31
1.3 Positionnement du travail ........................................................................................................... 32
1.3.1 Processus de conception .......................................................................................................... 32
1.3.2 Conception par optimisation .................................................................................................. 33
1.4 Démarche et orientations scientifiques ...................................................................................... 34
1.4.1 Conception optimale selon l’approche système .................................................................. 34
1.4.2 Déclinaison du cahier des charges sur le système ............................................................... 35
1.4.3 Problématique du temps de calcul en conception ............................................................... 36
1.5 Bilan ................................................................................................................................................ 37
Chapitre 2 Modélisation de la chaine de traction ................................... 39
2.1 Complexité du choix des modèles ............................................................................................. 39
2.1.1 Compromis précision et temps de calcul .............................................................................. 39
2.1.2 Différentes échelles temporelles ............................................................................................. 42
2.1.2.1 Echelle électronique ........................................................................................................ 43
2.1.2.2 Echelle magnétique ......................................................................................................... 44

4
2.1.2.3 Echelle électrique ............................................................................................................. 44
2.1.2.4 Echelle mécanique ........................................................................................................... 46
2.1.3 Orientation du modèle ............................................................................................................ 47
2.1.4 Vocabulaire utilisé ................................................................................................................... 48
2.2 Modèles des composants ............................................................................................................. 49
2.2.1 Modèle du véhicule ................................................................................................................. 51
2.2.1.1 Bloc véhicule .................................................................................................................... 54
2.2.2 Modèle de la transmission ...................................................................................................... 55
2.2.2.1 Bloc transmission ............................................................................................................. 58
2.2.2.2 Masse et cout .................................................................................................................... 58
2.2.2.3 Validation sur la plage vitesse/couple .......................................................................... 59
2.2.3 Modèle de la machine électrique ........................................................................................... 59
2.2.3.1 Modèle thermique ........................................................................................................... 66
2.2.3.2 Contrôle ............................................................................................................................ 68
2.2.3.3 Blocs machine .................................................................................................................. 69
2.2.3.4 Masse et cout .................................................................................................................... 71
2.2.3.5 Validation éléments finis ................................................................................................ 71
2.2.3.6 Validation sur la plage vitesse/couple .......................................................................... 72
2.2.4 Modèle de l’onduleur .............................................................................................................. 73
2.2.4.1 Modèle thermique ........................................................................................................... 76
2.2.4.2 Blocs onduleur ................................................................................................................. 76
2.2.4.3 Masse et cout .................................................................................................................... 77
2.2.4.4 Validation sur la plage vitesse/couple .......................................................................... 78
2.2.5 Modèle de la batterie ............................................................................................................... 79
2.2.5.1 Variables et contraintes .................................................................................................. 81
2.2.5.2 Masse et cout .................................................................................................................... 82
2.2.5.3 Validation sur la plage vitesse/couple .......................................................................... 83
2.3 Modèle système ............................................................................................................................ 84
2.3.1 Assemblage des modèles ........................................................................................................ 84
2.3.2 Simulation de cycles dans différentes conditions ................................................................ 85
2.3.3 Validation sur la plage vitesse/couple ................................................................................... 87
2.3.4 Contraintes de performance pour le véhicule ...................................................................... 87
2.4 Bilan ................................................................................................................................................ 88

5
Chapitre 3 Choix d’une architecture pour l’optimisation ..................... 91
3.1 Méthodes et stratégies d’optimisation ....................................................................................... 92
3.1.1 Classification des problèmes d’optimisation ....................................................................... 92
3.1.2 Algorithmes d’optimisation ................................................................................................... 94
3.1.3 Stratégies d’optimisation ........................................................................................................ 95
3.1.3.1 Surfaces de réponses ....................................................................................................... 95
3.1.3.2 Stratégies multigranularités ........................................................................................... 97
3.1.3.3 Optimisations multidisciplinaires ................................................................................. 98
3.1.4 Robustesse d’une optimisation .............................................................................................. 99
3.1.5 Bilan des stratégies d’optimisation ...................................................................................... 100
3.2 Analyse des temps de calcul ..................................................................................................... 101
3.3 Intégration du contrôle de la machine électrique .................................................................. 103
3.3.1 Comparaison des différents contrôles ................................................................................. 103
3.3.1.1 V/f constant .................................................................................................................... 104
3.3.1.2 E/f constant ..................................................................................................................... 104
3.3.1.3 Optimale ......................................................................................................................... 105
3.3.1.4 Comparaison et analyse ............................................................................................... 105
3.3.2 Cartographie de contrôle ...................................................................................................... 108
3.3.3 Simplification du cycle .......................................................................................................... 111
3.3.4 Biniveau ou mononiveau ...................................................................................................... 113
3.4 Intégration de la thermique ...................................................................................................... 117
3.5 Gestion des bouclages ................................................................................................................ 119
3.5.1 Bouclage sur la thermique machine en régime permanent .............................................. 119
3.5.2 Bouclage onduleur et batterie ............................................................................................... 121
3.5.3 Bouclage sur les masses......................................................................................................... 121
3.6 Prises en compte de contraintes physiques supplémentaires .............................................. 122
3.6.1 Méthode avec une surface de réponse classique ............................................................... 123
3.6.2 Méthode avec de l’apprentissage automatique ................................................................. 125
3.7 Correction du modèle analytique par Space Mapping ......................................................... 127
3.8 Architecture proposée ................................................................................................................ 129
3.9 Bilan .............................................................................................................................................. 131
Chapitre 4 Résultats et validations ......................................................... 133
4.1 Cahier des charges, objectifs, variables, contraintes .............................................................. 133