M2 Electrification et propulsion automobile

Notions de contrôle optimal appliquées au domaine (gestion énergétique, stratégie de contrôle).
Bases en modélisation et simulation (Matlab/Simulink).
Connaissances générales en chaîne de traction hybride.

Première partie – Fondamentaux :
- Méthodologie de dimensionnement et d’optimisation.
- Modélisation et outils de simulation nécessaires.
Deuxième partie – Projet (approfondissement) :
- Pré-dimensionnement des composants en fonction des prestations attendues.
- Sélection des composants (analyse des technologies disponibles).
- Élaboration de la gestion/contrôle du système.
- Validation des prestations par rapport aux objectifs du cahier des charges, via itérations successives.

Être capable, à partir d’un cahier des charges de véhicule hybride ou électrique, de :
Pré-dimensionner les sous-systèmes.
Choisir les composants adaptés (en tenant compte des technologies disponibles).
Les intégrer dans une chaîne de traction hybride.
Valider les performances globales du système par simulation et itérations successives.

- Projet encadré : 24h (application de la méthodologie et préparation du projet).
- Travail personnel : 24h (projet en autonomie).
- Projet collectif encadré basé sur un cahier des charges de véhicule

Pédagogie par projet collectif : dimensionnement complet d’une chaîne de traction hybride, avec restitution en rapport écrit sous forme d'article scientifique et soutenance orale.

Compétences principales : dimensionner un système complexe et ses sous-systèmes dans un environnement contraint en utilisant la simulation.
Compétences complémentaires : modélisation et simulation sous Matlab/Simulink.
Développer des compétences en travail collaboratif (projet de groupe).

Article et données véhicules fournis par les encadrants

Notions de mécanique et thermique des milieux continus ; notions d’électromagnétisme

Présentation de la méthode des éléments finis (cours magistral)
Application sur des exemples académiques à la mécanique, la thermique, le l’électromagnétisme
Utilisation de codes industriels et études de cas réels complexes (bureau d’études) :
- en mécanique
- en thermique
- en thermo-mécanique
- en électromagnétisme.

Modélisation des structures par éléments finis, Volume 1, J.L. Batoz, G. Dhatt, Presses Université Laval, 1990 - 458 pages

Introduction aux systèmes temps réel
Programmation concurrente et interactions avec l'environnement
- hors ligne
- en ligne, tests de faisabilité
- prise en compte des interactions entre tâches
- éventuellement : extension aux systèmes distribués et/ou systèmes multimédia.
Algorithmes d'ordonnancement
Architecture pour les applications temps réels (DSP et/ou microcontrôleurs)
Réseaux Temps Réel (CAN et Flexray).

Bases d’électricité
Unité d'enseignement d'électronique de puissance du S3

Architecture d’un système embarqué pour le véhicule hydride et tout électrique
- Câblage : échauffement, dimensionnement et choix de solutions
- Gestion énergétique pour (1) le véhicule hydride et (2) tout électrique
- Qualité de l’énergie : harmoniques, chutes de tension
- Problèmes de CEM sur un système embarqué : description et solutions possibles
- Stabilité de la tension des réseaux DC (réseau basse tension et de traction)
- Protection du réseau : méthodes de détection, organes de coupures (relais, SmartMos, fusibles).

Les grandes pistes pour éco-innover
Les directives européennes environnementales concernant le transport : VHU, REACH…, celles en préparation
La démarche d’Analyse de Cycle de Vie (normes ISO 14xxx), les outils qualitatifs et quantitatifs d’évaluation environnementale
Logiciels d’ACV et bases de données spécialisées
Qu’est-ce que l’éco-conception ? Quelques voies prometteuses dans l’automobile.
La chaine logistique d’un constructeur automobile et les filières de recyclage automobiles
Changer de modèle économique pour les constructeurs automobiles, passer du produit aux services
Notions d’éco-usages dans le transport
Notion d’éco-robustesse d’un moyen de transport, éco-conduite, transport et éco-citoyen
Les ressources énergétiques, couts et matières premières dans le contexte du génie électrique...
Le principe de dimensionnement/optimisation des actionneurs/générateurs électromagnétiques
Application de l'éco-conception aux systèmes électromécaniques
Exemples applicatifs.

Notions de programmation scientifique (Matlab et/ou Python).
Bases en traitement du signal et en probabilités/statistiques (utile pour la fusion de données et les filtres).
Connaissances générales en systèmes de capteurs embarqués (lidar, radar, caméra).

Introduction au véhicule autonome :
- Définitions et niveaux d’autonomie (SAE).
- Enjeux techniques, économiques et sociétaux (sécurité, acceptabilité, cadre réglementaire).

Capteurs et perception :
- Technologies embarquées : lidar, radar, caméras, GPS/IMU.
- Avantages, limites et complémentarités des capteurs.

Fusion et traitement de données :
- Bases de la fusion multi-capteurs.
- Algorithmes classiques : filtre de Kalman, variantes étendues (EKF, UKF).
- Applications concrètes en localisation et suivi d’obstacles.

Intelligence artificielle appliquée :
- Introduction aux réseaux de neurones pour la perception et la classification d’objets.
- Exemples de traitement d’images issues de caméras embarquées.

Enjeux d’intégration :
- Gestion en temps réel.
- Connectivité véhicule-véhicule (V2V) et véhicule-infrastructure (V2I).
- Verrous actuels : cybersécurité, fiabilité, validation.

Comprendre les enjeux scientifiques, techniques et sociétaux liés au développement du véhicule autonome et connecté. Identifier les verrous technologiques (perception, décision, sécurité, connectivité) et les pistes de solutions actuelles.
Découvrir les approches d’intelligence artificielle appliquées au véhicule autonome (réseaux de neurones, apprentissage automatique).

Cours : 12h; TD : 3h
Interventions de chercheurs académiques et industriels (Védécom, Université Gustave Eiffel, IFP School).

Alternance entre conférences thématiques (concepts, enjeux, retours industriels) et TD pratiques (exercices de fusion de données sous Matlab/Python). Approche orientée expérimentation numérique et études de cas réels.

Compétences principales : comprendre les architectures de perception et décision des véhicules autonomes ; savoir mettre en œuvre des algorithmes de fusion de données multi-capteurs.
- Compétences complémentaires : appliquer des méthodes de data science (réseaux de neurones, filtrage probabiliste) sur Matlab/Python ; évaluer les enjeux techniques et réglementaires liés au déploiement des véhicules autonomes.

Articles récents (IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, IEEE IV Symposium).

Base de l'électricité (régime transitoires, puissances et pertes), composants passifs, automatique

Première partie : fondamentaux
- Les règles, principes et principales topologies de la conversion statique
- Technologie et dimensionnement des composants de l’électronique de puissances pour l’automobile (actifs et passifs)
- Technologie et dimensionnement des dissipateurs et échangeurs thermiques
- Notions de compatibilité électromagnétique en électronique de puissance.
Deuxième partie : approfondissement
- Structure dédiées à l’automobile, convertisseurs DC/AC et DC/DC
- Etude des filtres CEM
- Modélisation dynamique des convertisseurs et du réseau en vue de la commande
- Modes de défaillance et notions de fiabilité des convertisseurs de puissance.

Notions de mécanique des solides rigides, théorème de l'énergie cinétique, principe fondamental de la dynamique, schématisation normalisée des liaisons

Introduction sur les composants mécaniques de transmission de puissance dans les véhicules hybrides

Études cinématique et dynamique des trains épicycloïdaux
1 Présentation : définition et exemples, domaines d’application, notations et hypothèses
2 Relations cinématiques et dynamiques : relation cinématique – formule de Willis, relations dynamiques, étude énergétique – rendement
3 Associations de trains : train équivalent, train composé

Les mécanismes à friction
1 Présentation : les différents types de mécanismes à friction, actions de contact avec frottement et modèle de frottement
2 Dimensionnement d’un embrayage : critères de dimensionnement, démarche de dimensionnement
3 Etude dynamique de l’opération d’embrayage : notations et hypothèses, problème à résoudre
4 Couple transmissible par un embrayage : définitions, différents types d’embrayage, embrayage à disques, embrayage conique
5 Réalisations technologiques : architecture générale, principe de fonctionnement, disques d’embrayage, commande des embrayages, embrayages multidisque dans les boîtes de vitesses automobile

TD : Boîte de vitesses Non Stop de John Deere, Boîte de transmission VARIO de FENDT, Embrayage de la KTM 420GS

Rappels : théorème de l'énergie cinétique, schématisation normalisée des liaisons

Ressources complémentaires : géométrie des engrenages à dentures droite et hélicoîdale, conditions de montage des satellites d'un train épicycloïdal, hyperstaticité des trains épicycloïdaux, couple transmissible par un embrayage multidisque, boîtes de vitesses manuelles (architecture générale, adaptation de la BdV à un véhicule, passage des vitesses, commande des vitesses), boîtes de vitesses à commande automatique

Dans ce cours sont étudiés les composants mécaniques de transmission de puissance principaux des boîtes de vitesses automatiques et hybrides :
• les trains épicycloïdaux (planétaires) ;
• les embrayages.

Des études dynamiques et cinématiques de ces composants sont développées ainsi que des aspects technologiques liés à leur réalisation. Des démarches de pré-dimensionnement sont proposées.

Des notions relatives à l'architecture, l'étagement et la réalisation technologique des boîtes de vitesses manuelles et automatiques sont également abordées.

Cours magistraux avec supports de cours imprimés fournis aux apprenants, démonstrations et explications complémentaires fournies en présentiel, séances de travaux dirigés, mise en application à travers un bureau d'étude sous Matlab/Simulink.

Déterminer tous les rapports de transmission et le rendement d'une boîte de vitesses automobile manuelle, automatique ou hybride ainsi que les relations cinématiques et dynamiques qui régissent son comportement mécanique.

Pré-dimensionner un embrayage multidisque (dimension, nombre de disques, surface frottante) selon des critères de dimensionnement statique (couple transmissible, pression de contact) et énergétique (puissance dissipée).

Modéliser le comportement d'une tranmission de puissance mécanique dans Matlab/Simulink.

[1] S. Calloch, J.-Y. Cognard, D. Dureisseix et D. Marquis. Les systèmes de transmission de puissance. Hermès, Science, 2003.

[2] P. Agati, Y. Brémont et G. Delville. Mécanique du solide – Applications industrielles. Dunod, 1996.

[3] M. Aublin, R. Boncompain, M. Boulaton, D. Caron, E. Jeay, B. Lacage et J. Réa. Systèmes mécaniques : théorie et dimensionnement. Dunod, Paris, 1992.

[4] J. Dufailly. Étude géométrique des engrenages cylindriques de transmission de puissance. Ellipses, 1997.

[5] J. Dufailly. Calcul de la capacité de charge des engrenages cylindriques de transmission de puissance. Ellipses, 1998.

Notions de thermodynamique (premier principe)

- Introduction générale : bilans d’énergie en régime stationnaire, analogie électrique, limitations, rôle des ailettes.
- Rayonnement thermique : bases physiques, propriétés radiatives des corps opaques, transferts radiatifs.
- Conduction thermique : régime instationnaire, phénomènes de diffusion thermique.
- Convection :
• Convection forcée externe (analyse dimensionnelle, corrélations)
• Convection forcée interne (écoulements en conduites, transferts associés)
• Convection naturelle externe (analyse dimensionnelle, applications)
• Notions sur la convection naturelle interne.
- Exercices appliqués : résolution d’un problème de transfert thermique (dimensionnement d’échangeur, étude d’ailette, simulation numérique simplifiée).

Maîtriser les concepts fondamentaux des transferts thermiques.
Développer une approche méthodologique pour traiter des problèmes concrets en ingénierie thermique.
Être capable de modéliser et analyser les différents modes de transfert de chaleur dans des situations industrielles variées.

Cours magistraux et travaux dirigés

Réaliser un bilan d’énergie et analyser les transferts thermiques en régime stationnaire et instationnaire.
Identifier et caractériser les modes de transfert (conduction, convection, rayonnement).
Utiliser l’analyse dimensionnelle et les corrélations pour prédire les transferts.
Être capable de concevoir et dimensionner un système thermique simple (ex. ailettes, échangeurs).
Développer une compétence en résolution de problème appliqué

Supports de cours et polycopiés de l’enseignant

Base élémentaire d’électrochimie, notions générales sur les systèmes énergétiques.

Première partie – Fondamentaux :
- Électrochimie appliquée aux batteries.
- Éléments constitutifs et matériaux des batteries.
- Panorama des technologies et performances : Li-Ion, NiMh, Pb-Acide, NiCd, Li-Polymère, piles à combustible.
Deuxième partie – Approfondissement :
- Gestion thermique et conditionnement des systèmes de stockage.
- États de charge/décharge et état de santé (SOC, SOH).
- Contraintes de sécurité liées aux batteries.
- Évolution des performances technico-économiques.
- Supercondensateurs : technologie, intégration dans la chaîne de traction, gestion énergétique.
- Durée de vie, modes de défaillance, maintenance prédictive.
- Autres systèmes : inertiels, pneumatiques, stockage H₂ pour pile à combustible.
- Modélisation et simulation des batteries.
- Piles à combustible : principes et applications.
- Systèmes de gestion énergétique des batteries (BMS).

Présenter les différents types de stockage d’énergie pour applications embarquées (batteries, supercondensateurs, piles à combustible, autres technologies).
Comprendre les contraintes spécifiques liées à l’usage dans un véhicule (performance, sécurité, durée de vie, intégration).
Être capable d’évaluer, modéliser et simuler le comportement des systèmes de stockage.

Modalités pédagogiques combinant cours théoriques, étude de cas, et modélisation avec Matlab/Simulink.

Travaux dirigés et homework intégrant la modélisation sous Matlab/Simulink.
Mise en pratique des notions par simulation numérique et études de cas réels.

Être capable de comprendre et concevoir un sous-modèle de stockage de l’énergie (batterie).
- Savoir modéliser et simuler les performances et contraintes d’une batterie.
- Connaître les contraintes thermiques, de sécurité et de durabilité des systèmes de stockage.
- Compétence logicielle : Matlab/Simulink.

- Badin F., Les véhicules hybrides.
- Sciarretta A., Contrôle optimal et gestion énergétique.
- Articles et supports pédagogiques fournis par l’équipe enseignante.

Bases de cinétique chimique, thermodynamique

Première partie – Fondamentaux :
- Généralités : types de combustion (bougie, brûleurs, moteurs auto,...).
- États initial et final : définitions, bilans, équilibre thermodynamique.
- Cinétique chimique : réactions (initiation, propagation, terminaison), combustion H₂/air et hydrocarbures/air.
- Flammes laminaires prémélangées et non prémélangées : structure, vitesse de flamme, épaisseur, formulations.
- Polluants : NOx thermiques/prompt, reburning, impacts atmosphériques.
Deuxième partie – Approfondissements :
- Combustion essence (allumage commandé) : principes, caractéristiques, évolutions récentes, potentiel d’amélioration.
- Combustion hydrogène : spécificités H₂ (vitesse de flamme élevée, absence de carbone, formation de NOx, pré-inflammation et backfire, stratégies de contrôle).
- Nouveaux procédés : HCCI, CAI (auto-inflammation, combustion basse température, faibles émissions).
- Carburants alternatifs : liquides de synthèse, bio-carburants (1ère et 2e générations), carburants gazeux, applications pour moteurs HCCI/CAI et H₂.

Maîtriser les fondements physico-chimiques de la combustion.
Identifier les paramètres de conception des moteurs permettant d’optimiser rendement et émissions (GES + polluants).
Comprendre et comparer les caractéristiques de la combustion essence et hydrogène.

- Cours magistraux et TD
- Travail personnel

Approche équilibrée entre fondamentaux et applications moteurs (essence et H₂). Homework ciblé sur la modélisation simplifiée et l’analyse critique de stratégies de combustion.

Compétences principales : cinétique chimique, thermodynamique de la combustion.
Compétences complémentaires : analyse des moteurs à combustion interne (essence et hydrogène).
Savoir modéliser, comparer et évaluer les performances et impacts environnementaux de différentes stratégies de combustion.

Polycopiés et documents distribués.
Articles récents sur la combustion hydrogène en moteurs thermiques

Bases d’analyse numérique

L’UE se décompose en deux grandes parties qui sont : les méthodes numériques pour :
- l’intégration temporelle d’équations différentielles (schéma d’intégration de type Euler, Runge Kutta)
- les méthodes d’optimisation (méthodes déterministes telles que les méthodes de gradient, de Newton, et les méthodes stochastiques telles que les algorithmes génétiques, les essaims particulaires, ou la méthode du recuit simulé).

Analyse numérique matricielle appliquée à l'art de l'ingénieur, T1-2, Patrick Lascaux, Raymond Théodor, Dunod Méthodes de calcul numérique, J.M. Nougier, Masson Introduction à l’analyse matricielle et à l’optimisation, Ph. G. Ciarlet, Dunod Méthodes mathématiques pour les sciences de l'ingénieur : Optimisation et analyse numérique, B. Lions, P-L. Larrouturou, École polytechnique

Bases de l’électromagnétisme

Première partie : fondamentaux
- Notions de puissance et d’énergie électriques
- Flux, énergie et co-énergie magnétiques
- Création d’efforts et de couples électromagnétiques
- Introduction et principes de la conversion électromécanique
- Classification des machines électriques
- Structures de machines synchrones
- Modélisation dynamique des machines en vue de la commande
Deuxième partie : approfondissement
- Principes de la commande scalaire
- Principes de la commande vectorielle
- Fonctionnement sur une large plage de vitesse : principe du défluxage
- Comportement thermique
Dimensionnement pour une application véhicule.

Actionneurs électriques, G. Grellet et Guy Clerc Poly du cours

Thermodynamique (premier principe, rendements). 
Chimie (réactions de combustion, formation des polluants).
Notions de mécanique appliquée au véhicule (forces en mouvement, puissance mécanique, bilans énergétiques).

Première partie – Fondamentaux :
- Bilan des forces en mouvement d’un véhicule.
- Chaîne des rendements : véhicule et chaîne de traction.
- Fonctionnement du moteur thermique et caractéristiques générales.
- Prestations moteur thermique (remplissage, puissance, rendement) et limitations.
- Spécificités du moteur à allumage commandé (essence).
Deuxième partie – Approfondissements :
- Pollution locale : formation des émissions, contraintes réglementaires, cycles de conduite.
- Pollution globale : émissions de CO₂, gaz à effet de serre (de la source à la roue).
- Technologies de post-traitement des émissions

Comprendre les besoins énergétiques d’un véhicule et les forces en mouvement.
Analyser le fonctionnement et les limitations intrinsèques des moteurs à combustion interne (essence).
Identifier les mécanismes de formation des émissions polluantes et les moyens associés pour les réduire.
Relier la pollution locale (émissions) et la pollution globale (GES, CO₂).

Cours magistraux et TD
Études de cas appliqués : cycles de conduite, contraintes réglementaires, technologies de post-traitement.

Mise en perspective entre performances moteurs et contraintes environnementales. Intégration des aspects réglementaires (cycles WLTP, normes Euro)

Compréhension des moteurs à combustion interne et de leurs limitations.
Connaissance des émissions, polluants, contraintes environnementales et solutions de post-traitement.

Polycopiés et documents distribués.
F. Badin, Les véhicules hybrides.
Mémento Bosch Automobile.

Notions de base en automatique (boucles de régulation, stabilité, fonctions de transfert).
Bases en systèmes énergétiques (chaîne de traction, moteur thermique, machines électriques, batteries).
Notions de modélisation numérique (Matlab/Simulink).

Première partie – Fondamentaux (problèmes et techniques) :
- Contrôle du groupe motopropulseur et architectures de gestion de l’énergie.
- Rappels et applications des méthodes d’automatique.
- Modélisation systémique appliquée au véhicule.
- Gestionnaires de l’énergie heuristiques.
- Commande optimale : principes, applications hors ligne, techniques numériques.
- Gestionnaires de l’énergie optimisés.
- Contrôle des composants : moteur thermique, machines électriques, batterie, transmission.
Deuxième partie – Approfondissement (outils) :
- Outils logiciels pour l’optimisation hors ligne.
- Outils logiciels pour la synthèse et la validation des lois de contrôle de gestion.

Comprendre les enjeux de la gestion de l’énergie dans un groupe motopropulseur complexe.
Découvrir les méthodes de contrôle et de synthèse de lois de gestion de l’énergie.
Utiliser les outils logiciels d’optimisation et de simulation pour développer et valider des stratégies de contrôle.

Cours magistraux : 9 h (concepts fondamentaux).
Travaux dirigés : 12h (applications pratiques et modélisation).
Travail personnel : 24h (homework sur simulation et optimisation).

Approche orientée modélisation & optimisation avec Matlab/Simulink comme outil central.

Compétences principales : être capable de créer des sous-modèles liés au contrôle optimal et à leurs sous-systèmes associés.
Compétences complémentaires : utilisation de Matlab/Simulink pour la modélisation et l’optimisation.
Savoir développer et valider des stratégies de gestion énergétique pour un groupe motopropulseur.

F. Badin, Les véhicules hybrides.
A. Sciarretta, Contrôle optimal et gestion énergétique des systèmes hybrides.
Articles et supports pédagogiques distribués.

Notions de mécanique

Modélisation 1D du comportement dynamique
Lois d’évolution 1D (lois de commandes données)
Méthodes numériques de résolution adaptées
Réalisation d’un projet (Simulink) : résolution numérique d’un problème donné, intégration de système de récupération d’énergie.

Notions générales sur les chaînes de traction et l’énergie

1. Fondamentaux : définitions, architectures hybrides (série, parallèle, complexes), degrés d’hybridation, optimisation énergétique, réglementation, alternatives (pile à combustible, air comprimé, etc.), évolution du marché.
2. Approfondissements : dépollution, gestion thermique, électrification des auxiliaires, état de l’art, étude de cas (Prius, Insight…), simulation de chaîne de traction hybride.

Comprendre l’intérêt et les apports de l’électrification sur les performances véhicule, la consommation énergétique et l’impact environnemental.

Cours théoriques (fondamentaux + approfondissements), études de cas, TD avec simulateurs (AMESIM).

Utilisation d’outils logiciels : AMESIM et Matlab/Simulink.

Être capable d’appréhender l’hybridation véhicule.
Maîtrise logicielle : Amesim & Matlab Simulink.

Polycopiés et livres distribués : Les véhicules hybrides (F. Badin)