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Expertise en Systèmes et Energies Embarqués pour les transports

Les activités de recherche au sein du pôle S2ET sont centrées autour de deux principaux axes :

Axe 1 : Energie et Systèmes Mécatroniques Intelligents

Cet axe est constitué de deux thématiques :

  1. Energie et Conception des Systèmes Mécatroniques
  2. Commande et Diagnostic des Systèmes

a. Energie et Conception des Systèmes Mécatroniques

L'objectif est de développer des méthodologies de conception multi-niveau de chaines d'actionnement mécatroniques embarquées dans les moyens de transport en se basant sur une optimisation globale sous contraintes multi-physiques. Une chaine mécatronique type est constituée d'une source d'énergie, un convertisseur de puissance et un actionneur électrique entrainant une charge mécanique (eg chaine de propulsion électrique, commande de vol électrique, obturateur de boucle d'air, ...) Les contraintes considérées sont de type encombrement, masse embarquée, coût, rendement, thermique, compatibilité électromagnétique mais aussi de type commande et fiabilité. Une telle méthodologie mobilise des modèles multi-physiques de finesses différentes (aspect multi-niveau) et doit gérer efficacement des échelles de temps et d'espace très différentes. L'objectif est d'assurer un continuum de conception entre les niveaux de modélisation et entre les éléments de la chaine mécatronique en prenant en compte l'intégration de celle-ci dans un moyen de transport et l'intégration de ce dernier dans un environnement plus global de mobilité.

banc papillon motoriseBanc papillon motorisé
 

Dans cette démarche de conception multi-niveau/multi-physique, un important effort est consacré à la partie stockage et gestion de l'énergie à bord. En effet, l'amélioration des performances du système de stockage embarqué est l'un des verrous pour l'utilisation en masse des véhicules électriques et hybrides. Dans ce cadre, nous développons des solutions basées sur l'hybridation des sources (Batterie, Supercondensateurs, Pile à combustible) pour réduire la taille du système de stockage embarqué et améliorer sa durée de vie. Ces améliorations sont rendues possibles grâce à une optimisation globale et à la mise en œuvre de nouvelles méthodes de gestion d'énergie permettant de réduire les contraintes vues par la principale source d'énergie. La compréhension du comportement des systèmes de stockage nous permet d'intégrer le facteur de fiabilité dès la phase de conception de la source embarquée, avec des méthodes de gestion adaptées. Pour cela, dans notre démarche on est amené à étudier le comportement des sources embarquées et des éléments de stockage en considérant une modélisation multi-physique notamment électrique, thermique et de vieillissement (durée de vie).

Afin de pouvoir tester le comportement des systèmes de stockage dans des applications de transport, un banc de test a été développé au laboratoire de l'ESTACA. Ce banc est capable de simuler des cycles de charge/décharge dans des conditions d'utilisation similaires à celles des applications réelles (traction électrique, stockage d'énergie, filtrage, UPS...etc.). Le banc de test développé permet de suivre le comportement d'un système de stockage soumis à des essais électriques et thermiques 24h/24h.

banc caracterisation cyclage batteriesBanc de caractérisation et cyclage batteries / supercondensateurs
  • Pbras = 24 kW / 80 kW
  • Imax = 600 A / 200 A
  • Vmax = 160 V / 800 V
  • Fréquence = 40 kHz
  • Commande + acquisition : NI-FPGA
  • 64 mesures, température -72 °c / +180°c
  • Gestion des défauts
  • Cyclage continu 24h/24h
banc photovoltaiqueBanc photovoltaïque (60W / 31V-1,8A / 14,8V-4,1A)

b. Commande et Diagnostic des Systèmes 

La conception des chaines d'actionnement mécatroniques et la gestion d'énergie embarquée nécessitent le développement de stratégies de supervision, de diagnostic et de commande avancée afin d'assurer des meilleures performances dynamiques des systèmes avec une bonne robustesse vis-à-vis les défauts en cas d'un disfonctionnement majeur.

Comme exemple de la chaîne d'actionnement mécatronique, la chaîne de propulsion électrique est conçue autour d'un nombre important de constituants (machines électriques - MAS, MASP, MRV - capteur(s), convertisseur(s) de l'électronique de puissance, etc.) qui peuvent être le siège de défauts. Ces défauts peuvent mener à des conséquences dangereuses pour l'usager, le véhicule et son environnement. La détection et la localisation de ces défauts est indispensable mais pas suffisante pour assurer la sureté de fonctionnement du système. En effet pour assurer un fonctionnement en mode dégradé, il faut mettre en œuvre une architecture de commande tolérante aux fautes. L'objectif est d'associer au(x) module(s) de diagnostic des méthodes de reconfiguration de la commande et d'adaptation aux défauts.

L'objectif de la thématique Commande et Diagnostic des Systèmes (CDS) est de développer des nouvelles architectures de commande robuste tolérantes aux défauts d'une chaine d'actionnement mécatronique embarquée dans le cadre du véhicule électrique ou hybride, ou encore de l'avion plus électrique.

Le développement des techniques de diagnostic des défauts est une étape primordiale dans les approches FTCs afin d'améliorer la fiabilité des systèmes d'un point de vue supervision et diagnostic. Cette étape précède l'élaboration d'une loi de commande capable d'assurer la stabilité avec des performances acceptables du véhicule en mode normal ou en mode dégradé pour un profil de mission donné. D'autres travaux sont consacrés à la recherche de stratégie(s) innovante(s) de gestion d'énergie en présence de défauts.

Dans le cadre de cette thématique, plusieurs lois de commande avancées de type robuste comme la commande floue, H infini/H2, H infini loop shaping, H infini d'ordre fixé, et sliding mode ont été appliquées sur plusieurs systèmes mécatroniques. Des validations expérimentales sont menées sur des bancs d'essai pour montrer l'intérêt et l'efficacité de ces approches de commande avancée (bancs d'essais MAS, MSAP, MRV, Hélicoptère 3DLL, etc.).

 

banc chaine actionnement electriqueBanc machine synchrone (5 kW)
banc machine asynchroneBanc machine asynchrone (7,5kW)
banc machine synchroneBanc machine synchrone à aimants permanents (11 kW)

Axe 2 : Systèmes embarqués et mobilité connectée

Cet axe porte sur la conception d'architectures logicielles des systèmes embarqués. L'objectif est d'explorer et optimiser (d'un point de vue statique et dynamique) des architectures logicielles d'un système embarqué pour des applications transports. Cela s'appuie sur la modélisation et l'estimation des performances (temporelles, énergies, fiabilité et coût) pour la qualité de service (QoS) d'un système embarqué temps réel. Le travail s'étend à l'optimisation du placement des composants logiciels sur des architectures matériels en considérant notamment les aspects gestion des incertitudes et sûreté de fonctionnement ainsi que le partage des informations (véhicule-véhicule et véhicule infrastructure) critiques et non critiques. D'ailleurs, la prise en compte des architectures multi-cœurs dans la phase de conception/optimisation des performances/sûreté de fonctionnement est étudiée dans ce contexte, notamment les problématiques liées au partitionnement heuristique du logiciel sur les différents cœurs et la vérification formelle de sa sûreté d'exécution.

vehicule electrique echelle1-5Véhicule électrique échelle 1/5vehicule electrique

 

  • Caméra intelligente
  • Réseau CAN / Zigbee Automobile
  • 5 ECUs, AUTOSAR
  • Tableau de bord sur tablette Android

     

 


 

architecture logicielleBanc direction assistée électrique avec volant à retour de force volant retour force
  • 4 ECUs
  • Bus Flexray avec 2 canaux
    redontants
  • Banc HIL avec modèle
    véhicule et route
  • Architecture logicielle
    compatible AUTOSAR