Abstract

The future development of electric vehicles is mostly dependent of improvements in battery performances. In support of the actual research of new materials having higher performances in terms of energy, power, durability and cost, it is necessary to develop modeling tools. The models are helpful to simulate integration of the battery in the powertrain and crucial for the battery management system, to improve either direct (e.g. preventing overcharges and thermal runaway) and indirect (e.g. state of charge indicators) safety. However, the battery models could be used to understand its physical phenomena and chemical reactions to improve the battery design according with vehicles requirements and reduce the testing phases. One of the most common model describing the porous electrodes of lithium-ion batteries is revisited. Many variants available in the literature are inspired by the works of prof. J Newman and his research group from UC Berkeley. Yet, relatively few works, to the best of our knowledge, analyze in detail its predictive capability. In the present work, to investigate this model, all the physical quantities are set in a dimensionless form, as commonly used in fluid mechanics: the parameters that act in the same or the opposite ways are regrouped and the total number of simulation parameter is greatly reduced. In a second phase, the influence of the parameter is discussed, and interpreted with the support of the limit cases. The analysis of the discharge voltage and concentration gradients is based on galvanostatic and pulse/relaxation current profiles and compared with tested commercial LGC cells. The simulations are performed with the software Comsol® and the post-processing with Matlab®. Moreover, in this research, the parameters from the literatures are discussed to understand how accurate are the techniques used to parametrize and feed the inputs of the model. Then, our work shows that the electrode isotherms shapes have a significant influence on the accuracy of the evaluation of the states of charges in a complete cell. Finally, the protocols to characterizes the performance of commercial cells at different C-rates are improved to guarantee the reproducibility.; Le développement futur des véhicules électriques est lié à l’amélioration des performances des batteries qu’ils contiennent. Parallèlement aux recherches sur les nouveaux matériaux ayant des performances supérieures en termes d'énergie, de puissance, de durabilité et de coût, il est nécessaire développer des outils de modélisation pour : (i) simuler l'intégration de la batterie dans la chaine de traction et (ii) pour le système de gestion de la batterie, afin d'améliorer la sécurité et la durabilité. Soit de façon directe (par exemple, la prévention de surcharge ou de l’emballement thermique) soit de façon indirecte (par exemple, les indicateurs de l’état de charge). Les modèles de batterie pourraient aussi être utilisés pour comprendre les phénomènes physiques et les réactions chimiques afin d'améliorer la conception des batteries en fonction des besoins de l’utilisateur et de réduire la durée des phases de test. Dans ce manuscrit, un des modèles les plus communs décrivant les électrodes poreuses des batteries au lithium-ion est revisité. De nombreuses variantes dans la littérature s’inspirent directement du travail mené par le professeur J. Newman et son équipe de chercheurs à l’UC Berkeley. Pourtant relativement peu d’études analysent en détail les capacités prédictives de ce modèle. Dans ce travail, pour étudier ce modèle, toutes les grandeurs physiques sont définies sous une forme adimensionnelle, comme on l'utilise couramment dans la mécanique des fluides : les paramètres qui agissent de manière identique ou opposée sont regroupés et le nombre total de paramètres du modèle est considérablement réduit. Cette étude contient une description critique de la littérature incluant le référencement des paramètres du modèle développé par le groupe de Newman et les techniques utilisées pour les mesurer, ainsi que l’écriture du modèle dans un format adimensionnel pour réduire le nombre de paramètres. Une partie expérimentale décrit les modifications de protocoles mis en œuvre pour améliorer la reproductibilité des essais. Les études effectuées sur le modèle concernent d’une part l’identification des états de lithiation dans la cellule avec un attention particulière sur la précision obtenue, et enfin une prospection numérique pour examiner l’influence de chaque paramètre sur les réponses de la batterie en décharge galvanostatique puis en mode impulsion et relaxation.

Abstract

Technological advancements made it possible for Electric vehicles (EVs) to have onboard computation, communication, storage, and sensing capabilities. Nevertheless, most of the time these EVs spend their time in parking lots, which makes onboard devices cruelly underutilized. Thus, a better management and pooling these underutilized resources together would be strongly recommended. The new aggregated resources would be useful for traffic safety applications, comfort related applications or can be used as a distributed data center. Moreover, parked vehicles might also be used as a service delivery platform to serve users. Therefore, the use of aggregated abundant resources for the deployment of different local mobile applications leads to the development of a new architecture called Vehicular Fog Computing (VFC). Through VFC, abundant resources of vehicles in the parking area, on the mall or in the airport, can act as fog nodes. In another context, mobile applications have become more popular, complex and resource intensive. Some sophisticated embedded applications require intensive computation capabilities and high-energy consumption that transcend the limited capabilities of mobile devices. Throughout this work, we tackle the problem of achieving an effective deployment of a VFC system by aggregating unused resources of parked EVs, which would be eventually used as fog nodes to serve nearby mobile users’ computation demands. At first, we present a state of the art on EVs and resource allocation in VFC. In addition, we assess the potential of aggregated resources in EVs for serving local mobile users’ applications demands by considering the battery State of Health (SOH) and State of Charge (SOC). Here, the objective is to choose EVs with a good condition of SOH and SOC so that owners secure tolerable amount of energy for mobility. Then, we address the problem of resource allocation scheme with a new solution based on Markov Decision Process (MDP) that aims to optimize the use of EVs energy for both computing users’ demands and mobility. Hence, the novelty of this contribution is to take into consideration the amount of aggregated EVs resource for serving users’ demands. Finally, we propose a stochastic theoretical game approach to show the dynamics of both mobile users’ computation demands and the availability of EVs resources.; Résumé : Les progrès technologiques ont permis aux véhicules électriques d’avoir des capacités à la fois de calcul, de communication, de stockage et de perception. Néanmoins, la plupart du temps, ces véhicules électriques sont en stationnement, ce qui engendre une sous utilisation de leurs capacités embarquées. Ainsi, une meilleure gestion et une mise en commun de ces ressources sous-utilisées deviennent fortement recommandées. Les ressources agrégées seraient utiles pour des applications de sécurité routière, des applications liées au confort ou pourraient même être utilisées en tant que centre de calcul distribué. En outre, les véhicules en stationnement pourraient également être utilisés comme plate-forme de fourniture de services. Par conséquent, l’utilisation de ressources abondantes agrégées pour le déploiement de différentes applications mobiles locales a conduit au développement du concept d’informatique en brouillard véhiculaire (an anglais, Vehicular Fog Computing - VFC). Grâce à ce dernier, les véhicules dans les aires de stationnement, les centres commerciaux ou les aéroports vont agir en tant que nœuds fog. Dans un autre contexte, les applications mobiles sont devenues de plus en plus populaires, complexes et gourmandes en ressources. Certaines applications mobiles nécessitent des capacités de calcul intensives et une consommation d'énergie élevée qui transcendent les capacités limitées des appareils mobiles. Tout au long de ce travail, nous abordons les verrous liés au déploiement efficace d’un système VFC agrégeant les ressources inutilisées des véhicules électriques en stationnement pour être utilisées comme nœuds fogs répondants aux demandes de calcul des utilisateurs mobiles à proximité. Notre travail commence par un état de l'art sur les véhicules électriques et l'allocation de ressources dans le système VFC. En outre, nous évaluons le potentiel des ressources agrégées dans les véhicules électriques pour répondre aux demandes d'applications d'utilisateurs mobiles locaux en prenant en compte l'état de santé de la batterie (en anglais, State of Health - SOH) et son état de charge (en anglais, State of Charge - SOC). Notre objectif est de choisir des VEs ayant un état de santé et de charge satisfaisants pour faire partie du VFC tout en permettant aux propriétaires de ces véhicules de disposer d’une quantité d’énergie suffisante pour leur mobilité. Nous abordons, par la suite, le problème d’allocation de ressources avec une nouvelle solution basée sur le processus de décision Markovien (en anglais, Markov Decision Process - MDP) qui vise à optimiser l’utilisation de l’énergie des véhicules électriques pour répondre à la fois à aux demandes de calcul et de mobilité des utilisateurs. Enfin, nous proposons une approche basée sur un jeu stochastique pour montrer la dynamique de la demande de calcul des utilisateurs mobiles et la disponibilité des ressources des véhicules électriques.

Abstract

Reliable and unceasing exploitation of power electronic converters plays a major part in every application. This PhD thesis comes up with new opened-up reliability assessment frameworks and demonstrates the feasibility of using multistate degraded system analysis and interval analysis as well for attaining much more accuracy in reliability evaluation. Considering self- and coupling degradation effects of the items and assessing reliability in the system level are important issues which are still lacking in the previous studies and the present thesis has made an effort to overcome these problems. The thesis tries to launch two distinct reliability assessment frameworks, namely interval reliability and Multistate degraded system reliability.Interval reliability is capable of introducing an interval useful lifetime for DC-DC power electronic converters in which the self and coupling degradations effects of items have been taken into account. Fundamentally, it is based on the conventional physics of failure reliability assessment. Based on this method, instead of obtaining an inaccurate reliability value, one can attain an interval for the reliability of a global system whose useful lifetime undoubtedly lays between the boundaries. This method is able to consider degradation dependencies and assess multi-component system level reliability but not redundant system. An attempt was made to enhance the conventional reliability framework to reach a systematic approach capable of estimating a reliability assessment considering self and mutual degradation effects and being able to evaluate system-level reliability including redundant system. Multistate degraded system reliability analysis is capable of estimating system-level reliability, while mission profile and physics of failure of the system’s items are taken into account. In addition, the self and mutual degradation effects of items on the operation of the global system have been considered. The multi-state degraded system reliability model exposed to multiple failure processes has been generalized. The operating condition of the global system is defined by a finite number of states. Not only can the proposed framework be employed in determining the reliability of the degraded systems in terms of multi-state functions, but also it can obtain the states of the systems by estimating the system state probabilities.As an application, a DC-DC power electronic system containing three critical items has been studied. In this case study, two power semiconductors, namely IGBT and diode, and a power capacitor have been considered as three degradation processes and their aging effects on the useful lifetime estimation of the power electronic system have been discussed. For having a sense about newly proposed reliability frameworks, a 3000W and 200/400 V conventional DC-DC converter for electric vehicle application exposed to WLTP driving cycle is considered.; La fiabilité et la sureté de fonctionnement de l'électronique de puissance jouent un rôle majeur aujourd'hui dans l'industrie. Cette thèse propose un nouveau cadre d'étude de la fiabilité à partir de deux méthodes afin d'améliorer la précision des études de fiabilité : une analyse utilisant la méthode des système dégradés multi état, et une analyse par intervalles. La considération des effets de dégradation propres et couplés de chaque composant est également une problématique qu'il reste aujourd'hui à étudier et qui est traitée dans ce travail.L'étude de la fiabilité par intervalles permet d'estimer des intervalles de durée de vie des convertisseurs DC/DC en prenant en compte les dégradations propres et mutuelles des composants. Fondamentalement, cette méthode est basée sur la compréhension des phénomènes physiques. A partir de cette méthode, on peut obtenir un intervalle pour la durée de vie d'un système complet. Cette méthode n'est toutefois pas adaptée aux systèmes redondants.De son côté, la fiabilité des systèmes dégradés multi-états est capable de proposer une étude au niveau système en prenant en compte le profil de mission et la physique des dégradations.Cette méthode a été généralisée dans cette thèse au procédés subissant de multiples dégradations. L'exemple d'un convertisseur DC/DC conprenant trois composants critiques a été étudié comme cas d'application. Deux composants semiconducteurs, diode et IGBT, et un condensateur sont considérés comme trois process de dégradation et l'effet de leur vieillissement sur la durée de vie du convertisseur est discutée. Le convertisseur étudié a pour puissance 3 kW (200/400V) et est dédié aux applications de type véhicule électrique. Il subit un profil de mission typique automobile (cycle WLTP).

Abstract

The future development of electric vehicles is mostly dependent of improvements in battery performances. In support of the actual research of new materials having higher performances in terms of energy, power, durability and cost, it is necessary to develop modeling tools. The models are helpful to simulate integration of the battery in the powertrain and crucial for the battery management system, to improve either direct (e.g. preventing overcharges and thermal runaway) and indirect (e.g. state of charge indicators) safety. However, the battery models could be used to understand its physical phenomena and chemical reactions to improve the battery design according with vehicles requirements and reduce the testing phases. One of the most common model describing the porous electrodes of lithium-ion batteries is revisited. Many variants available in the literature are inspired by the works of prof. J Newman and his research group from UC Berkeley. Yet, relatively few works, to the best of our knowledge, analyze in detail its predictive capability. In the present work, to investigate this model, all the physical quantities are set in a dimensionless form, as commonly used in fluid mechanics: the parameters that act in the same or the opposite ways are regrouped, and the total number of simulation parameter is greatly reduced. In a second phase, the influence of the parameter is discussed, and interpreted with the support of the limit cases. The analysis of the discharge voltage and concentration gradients is based on galvanostatic and pulse/relaxation current profiles and compared with tested commercial LGC cells. The simulations are performed with the software Comsol® and the post-processing with Matlab®. Moreover, in this research, the parameters from the literatures are discussed to understand how accurate are the techniques used to parametrize and feed the inputs of the model. Then, our work shows that the electrode isotherms shapes have a significant influence on the accuracy of the evaluation of the states of charges in a complete cell. Finally, the protocols to characterize the performance of commercial cells at different C-rates are improved to guarantee the reproducibility.; Le développement futur des véhicules électriques est lié à l’amélioration des performances des batteries qu’ils contiennent. Parallèlement aux recherches sur les nouveaux matériaux ayant des performances supérieures en termes d'énergie, de puissance, de durabilité et de coût, il est nécessaire développer des outils de modélisation pour : (i) simuler l'intégration de la batterie dans la chaine de traction et (ii) pour le système de gestion de la batterie, afin d'améliorer la sécurité et la durabilité. Soit de façon directe (par exemple, la prévention de surcharge ou de l’emballement thermique) soit de façon indirecte (par exemple, les indicateurs de l’état de charge). Les modèles de batterie pourraient aussi être utilisés pour comprendre les phénomènes physiques et les réactions chimiques afin d'améliorer la conception des batteries en fonction des besoins de l’utilisateur et de réduire la durée des phases de test. Dans ce manuscrit, un des modèles les plus communs décrivant les électrodes poreuses des batteries au lithium-ion est revisité. De nombreuses variantes dans la littérature s’inspirent directement du travail mené par le professeur J. Newman et son équipe de chercheurs à l’UC Berkeley. Pourtant relativement peu d’études analysent en détail les capacités prédictives de ce modèle. Dans ce travail, pour étudier ce modèle, toutes les grandeurs physiques sont définies sous une forme adimensionnelle, comme on l'utilise couramment dans la mécanique des fluides : les paramètres qui agissent de manière identique ou opposée sont regroupés et le nombre total de paramètres du modèle est considérablement réduit. Cette étude contient une description critique de la littérature incluant le référencement des paramètres du modèle développé par le groupe de Newman et les techniques utilisées pour les mesurer, ainsi que l’écriture du modèle dans un format adimensionnel pour réduire le nombre de paramètres. Une partie expérimentale décrit les modifications de protocoles mis en œuvre pour améliorer la reproductibilité des essais. Les études effectuées sur le modèle concernent d’une part l’identification des états de lithiation dans la cellule avec un attention particulière sur la précision obtenue, et enfin une prospection numérique pour examiner l’influence de chaque paramètre sur les réponses de la batterie en décharge galvanostatique puis en mode impulsion et relaxation.

Abstract

u cours des années récentes, les véhicules électriques sont revenus sur le devant de la scène des politiques publiques en matière de transport. Considérés comme un remède possible à diverses préoccupations pressantes des pouvoirs publics, ils bénéficient d'un soutien croissant de leur part. De telles mesures de soutien demeurent contestées : en effet, leur impact sur le décollage effectif des ventes, leur soutenabilité, leur utilité et leur justification sont loin d'aller de soi. Cette étude vise à éclairer l'impact des politiques publiques destinées à influencer la demande sur i) le taux de pénétration des véhicules électriques auprès des ménages français, et ii) les finances publiques. Dans un premier temps sera brossé le tableau du contexte dans lequel les véhicules électriques ont vocation à se développer. Il sera proposé un panorama large des opportunités potentielles offertes par l'introduction des véhicules électriques. Une revue internationale des politiques publiques est conduite, qui décrit les leviers de politique publique qui sont aujourd'hui actionnés en soutien au véhicule électrique de par le monde. L'accent y est mis sur les mesures destinées à agir sur la demande. Des conclusions préliminaires seront proposées sur l'efficacité de ces mesures au regard des taux observés de pénétration du véhicule électrique. Dans un deuxième temps, l'étude s'attache à évaluer le marché potentiel des véhicules électriques auprès des ménages français. L'analyse porte non seulement sur les déterminants financiers de la demande, mais aussi sur les obstacles socio-économiques à l'adoption des véhicules électriques par ces ménages. S'appuyant sur une analyse par scénarios qui permet de rendre compte des nombreuses incertitudes relatives aux évolutions à prévoir des véhicules, des coûts et des tendances de marché, une prévision du potentiel de demande à l'horizon 2023 est avancée. L'approche désagrégée qui est appliquée à partir de la base de données de l'Enquête Nationale Transports et Déplacements 2007/2008 permet d'identifier les combinaisons de instruments financiers de politique publique les plus à même de garantir certains niveaux de pénétration du véhicule électrique dans la prochaine décennie. Enfin, l'impact sur les finances publiques du remplacement d'un véhicule conventionnel par un véhicule électrique est étudié. L'analyse porte à la fois sur les phases de production et d'usage du véhicule. Le modèle d'évaluation développé à cet effet tient compte des impacts directs et indirects sur les finances publiques. Sont pris en compte les subventions directes à l'achat, les allègements fiscaux, les recettes fiscales, ainsi que les effets sur l'emploi. Les conclusions et observations tirées de l'étude permettent de formuler diverses suggestions à l'attention des constructeurs automobiles et des décideurs publics affichant la volonté de soutenir l'essor du véhicule électrique. In recent years, electric vehicles have come to the forefront of public transport policies. They are seen as remedy for various pressing public concerns and are thus increasingly benefiting from supportive policy measures. Such measures remain contested: their impact on actual vehicle uptake rates, their sustainability, usefulness and justification are far from being self-evident. This study aims at uncovering the effect of financial demand-side public policy measures on i) the uptake rate of electric vehicles among private households in France, and ii) the public budget. First, the context within which electric vehicles are to evolve is sketched. A comprehensive overview of the potential opportunities that come with the introduction of electric vehicles is given. An international policy review depicts public policy levers that are currently deployed in order to support the uptake of electric vehicles. A focus is put on financial demand-side measures. Preliminary conclusions on their effectiveness with regards to observed electric vehicle uptake rates in the various countries reviewed are drawn. Next, the potential market for electric vehicles among French households is explored. Besides financial aspects, socio-economic obstacles to electric vehicle uptake among private households are analysed. With the aid of scenario analysis that accounts for the many uncertainties with regards to future vehicle developments, costs and market trends, a forecast of the electric vehicles' potential up until 2023 is given. The applied disaggregate approach based on the database of the French National Transport Survey 2007/2008 allows identifying the most promising sets of financial public policy measures that are likely to guarantee certain electric vehicle uptake rates over the next decade. Lastly, the effect of replacing one conventional vehicle by one electric vehicle on the public budget is investigated. Both, vehicle manufacture and use aspects are considered. The set up valuation model hereby accounts for direct and indirect financial impacts on the public budget. These comprise direct purchase subsidies, tax breaks, and tax income, as well as effects of changing employment situations that alter the amount of social contributions and unemployment benefits. The study's findings and considerations allow for various suggestions for vehicle manufacturers and policy makers willing to support the uptake of electric vehicles. These are listed in the conclusions section which also sketches directions for further research.

Abstract

The 9th International Conference on City Logistics, Tenerife, Espagne, 17-/06/2015 - 19/06/2015; Electric vehicle is a solution to reduce pollutant emissions from road urban freight. This paper assesses the potential CO2 reduction by transferring urban freight from diesel to electric vehicles while simultaneously looking at the two main technical constraints: electric vehicle range and the impact on congestion linked to change diesel heavy duty vehicles (with a load up to 25 tons) to much smaller electric vehicles. The data used has been computed from a survey (ECHO) that describes in details a very large sample of French shipments. Two scenarios were set up, which differ mainly by the type of available electric vehicle: In scenario E1, the electric vehicle has a payload of 2 tons, versus 6 tons in scenario E2. The vehicle range is not very binding for urban deliveries in our scenario, except in the Paris Urban area. The CO2 reduction is nearly the same in the two scenarios, but the congestion is much higher in scenario E1, showing that the payload is an important issue for the generalisation of electric vehicles in urban freight. Document type: Conference object

Abstract

Transport Research Arena (TRA) 5th Conference: Transport Solutions from Research to Deployment, PARIS, FRANCE, 14-/04/2014 - 17/04/2014; This paper presents a methodology to optimally design the drivetrain of an Extended Range Electric Vehicle (EREV) according to the use specifications from European mobility surveys. At first the analysis of car uses is carried out, and a process aiming to classify the car use profiles into different clusters is proposed. Clusters that could fit typical EREV use are selected and applied in a sizing methodology to design the battery and the Range Extender (RE). Using a validated simulation software, the proposed method takes into account the range requirements of the car use profile, its energy consumption, realistic driving cycles from European database and battery aging. Combined with a simple Total Cost of Ownership (TCO) model, the most cost effective solution is determined, depending on the performance required. The results show that EREVs might be an interesting solution to consider, as they could lead to a significant TCO reduction (-17%) while offering twice as much range as currently available Battery-only Electric Vehicles (BEVs).

Abstract

Proceedings of 7th Transport Research Arena TRA 2018, VIENNE, AUTRICHE, 16-/04/2018 - 19/04/2019; This contribution is based on the European collaborative project TRANSFORMERS (Configurable and adaptable trucks and trailers for optimal transport), which received co-funding from the European Commission. The project has the goal of reducing energy use per tonne.kilometre of goods transported by up to 25%. This is achieved by innovations including: i) Configurable whole vehicle aerodynamics, ii) Improved loading efficiency measures, iii) A distributed, trailer mounted electric driveline known as 'hybrid-on-demand' for truck-semitrailer combinations. The combination of innovations gives the possibility of a semi-trailer combination which can be adapted or re-configured to suit individual transport missions. The paper focuses on providing background to the project, an overview of the innovations developed within the project, and the main conclusions that were drawn from the wide range of work undertaken within the project. It covers both the 'Energy Efficiency' and the 'Load Optimisation' trailers which were developed and tested within the project. Document type: Conference object