Récupération de chaleur par cycle de Rankine dans un véhicule poids lourd : optimisation topologique et commande


The CIFRE CIFRE UCBL1 (LAGEP)-ULg (LABOTHAP)-Volvo Trucks PhD defense of V.Grelet will take place on: february, 18th 2016, 14h

Location (access here):

Petit Amphithéâtre CPE, 3, Rue Victor Grignard, Domaine Scientifique de la Doua, Villeurbanne, France

The Phd thesis and the defense are in english.

Keywords

Waste heat recovery, Rankine cycle, Heavy duty truck, automotive, heat exchanger, thermal transfer, modeling, process control, multi models, adaptive control, model predictive control, observer.


Abstract

The constant evolution of oil prices and the more and more stringent automotive emission standards force the original engine manufacturers to search for innovative solutions in order to reduce oil consumption. As an important part of the energy contained in the primary carrier (the fuel) is lost to the ambient through heat, it seems convenient to recover a part of this thermal energy and to turn it into fuel consumption reduction. Thermodynamic bottoming cycle such as the Rankine cycle could fit to this objective. Its popular use throughout the world for electricity generation places itself as a natural candidate for an on board implementation into a vehicle. However, a certain number of hurdles are still present before the system can be efficiently applied to a heavy duty truck. Those last thirty years, numerous studies heave been carried out to evaluate the real potential of that kind of system on a vehicle but nothing is commercialized yet. The heat sources to recover from, the constraints relative to the on board application or the long and frequent transient behavior of the vehicle lead to optimize as well the system architecture as its control strategy. The system optimization leads to a choice in terms of working fluid, heat sources and sinks and components sizing in order to maximize the power recuperation and so the fuel economy. The control plays a major role to use the capability of such a system to ensure an efficient and safe operation and to limit the interactions with the other vehicle sub-systems. In this thesis, a system design methodology is introduced to optimize the system architecture using complete model based vehicle simulation. The constraints relative to the mobile application are taken into consideration to evaluate the potential of such a system. Model based control strategies for on controlled variable, namely the superheat level, are developed. Constrained by the implementation platform, different control frameworks going from PID to model predictive controller or observer based controller are developed to fit into a normal automotive electronic control unit. Most of these novel strategies are experimentally validated on a test rig developed during the thesis.

Thesis committee

Monsieur Roberto CIPOLLONE, Professeur Université de l’Aquila – Italie
Monsieur Pascal DUFOUR, Maître de Conférences HDR Université Claude Bernard Lyon 1 (co-encadrant)
Monsieur Pierre DUYSINX, Professeur Université de Liège – Belgique
Monsieur Vincent LEMORT, Professeur Assistant Université de Liège – Belgique (co-encadrant)
Madame Madiha NADRI-WOLF, Maître de Conférences Université Claude Bernard Lyon 1 (co-encadrant)
Monsieur Sorin OLARU, Professeur des Universités SUPELEC Paris
Monsieur Nicolas PETIT, Professeur Ecole des MINES PatisTech
Monsieur Frank WILLEMS, Professeur Associé Université technique d’Eindhoven – Pays-Bas
Monsieur Thomas REICHE, Volvo Trucks Global Trucks Technology Advanced Technology and Research, Saint Priest, France (co-encadrant industriel)

List of papers published during this thesis

– V. Grelet , T. Reiche, V. Lemort, M. Nadri, P. Dufour, « Transient performance evaluation of waste heat recovery rankine cycle based system for heavy duty trucks », Applied Energy, 2016, 165(1), pp. 878–892. DOI : 10.1016/j.apenergy.2015.11.004, OAI : hal-01265044

– V.Grelet, P. Dufour, M. Nadri, V.Lemort, T. Reiche, « Explicit multi model predictive control of a waste heat Rankine based system for heavy duty trucks », 54th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Osaka, Japan, pp. 179-184, december 15-18, 2015. OAI : hal-01265059

– V.Grelet, V.Lemort, M. Nadri, P. Dufour, T. Reiche, “Waste heat recovery Rankine cycle based system modeling for heavy duty trucks fuel saving assessment”, 3rd ASME International Seminar on Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems, Brussels, Belgium, paper 67, october 12-14, 2015. OAI : hal-01265061

– V.Grelet, P. Dufour, M. Nadri, V.Lemort, T. Reiche, “Model based control for Waste Heat Recovery Heat Exchangers Rankine cycle based system in heavy duty trucks”, 3rd ASME International Seminar on Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems, paper 191, Brussels, Belgium, october 12-14, 2015. OAI : hal-01265060

-V.Grelet, P. Dufour, M. Nadri, V.Lemort, T. Reiche, « Modeling and control of Rankine based waste heat recovery systems for heavy duty trucks », IFAC Advanced Control of Chemical Processes (ADCHEM), Whistler, British Columbia, Canada, pp. 569-574, June 7-10, 2015. DOI : 10.1016/j.ifacol.2015.09.028 OAI : OAI : hal-01265053


Acknowledgements

The French ministry of higher education and research for the financial support of this CIFRE PhD thesis 2012/549 is also acknowledged.La soutenance de thèse CIFRE UCBL1 (LAGEP)-ULg (LABOTHAP)-Volvo Trucks de V.Grelet aura lieu : 18 février 2016, 14h

Lieu

Petit Amphithéâtre CPE, 3, Rue Victor Grignard, Domaine Scientifique de la Doua, Villeurbanne, France

Le mémoire et la soutenance sont en anglais.


Mots-Clés

-Valorisation de chaleur résiduelle, cycle de Rankine, véhicule commercial, automobile, échangeur de chaleur, transfert thermique, modélisation, contrôle des procédés, approche multi modèles, commande adaptative, commande prédictive par modèle, observateur.


Résumé,

-L’évolution croissante du prix des carburants ainsi que les normes antipollution de plus enplus drastiques obligent les fabricants de véhicules commerciaux à développer des solutions innovantes pour réduire la consommation de carburant. Dans cet objectif, comme une grande partie de l’énergie contenue dans le carburant est directement relâchée à l’ambient sous forme de chaleur, celle-ci peut être valorisée et transformée via un cycle thermodynamique secondaire. Dans ce cadre, l’importante utilisation du cycle de Rankine à travers le monde en font un candidat naturel pour une implémentation dans un véhicule. Mais contrairement à une utilisation stationnaire, de nombreux obstacles se dressent pour une intégration totale dans un poids lourd. De nombreuses études ont été menées ces trente dernières années afin de déterminer le potentiel réel d’un tel système une fois embarqué à bord d’un véhicule. Les nombreuses sources de chaleur valorisables, les contraintes inhérentes à l’application embarquée ou encore les forts régimes transitoires induits par l’utilisation du camion doivent mener à une optimisation à la fois de l’architecture du système ainsi que de son système de contrôle. L’optimisation du système mène à un choix en terme de sources chaudes et froides, de topologie, de fluide de travail ainsi que de dimensionnement des composants afin de maximiser les performances. Le système de contrôle joue lui un rôle primordial afin de tirer un bénéfice maximum d’un tel système connaissant ses limites physiques ainsi que d’assurer une utilisation efficace. Dans cette thèse, une méthodologie de conception d’un système de valorisation des rejets thermiques est proposée. En se basant sur des simulations du véhicule complet basées sur un modèle détaillé, les thématiques de la sélection du fluide de travail, des sources chaudes et froides ainsi que l’optimisation des composants et du cycle sont approchées. Par la suite, le problème de contrôle en ligne de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur est formalisé. En tenant compte des contraintes numériques d’implémentation, différentes stratégies de commande sont mises en place, allant du contrôleur PID à des structures plus avancées telle que la commande prédictive par modèle ou une loi de commande basée sur un observateur. La plupart de ces stratégies sont validées expérimentalement sur un banc d’essai mis en place durant la thèse.

Jury de thèse,

Monsieur Roberto CIPOLLONE, Professeur Université de l’Aquila – Italie
Monsieur Pascal DUFOUR, Maître de Conférences HDR Université Claude Bernard Lyon 1 (co-encadrant)
Monsieur Pierre DUYSINX, Professeur Université de Liège – Belgique
Monsieur Vincent LEMORT, Professeur Assistant Université de Liège – Belgique (co-encadrant)
Madame Madiha NADRI-WOLF, Maître de Conférences Université Claude Bernard Lyon 1 (co-encadrant)
Monsieur Sorin OLARU, Professeur des Universités SUPELEC Paris
Monsieur Nicolas PETIT, Professeur Ecole des MINES PatisTech
Monsieur Frank WILLEMS, Professeur Associé Université technique d’Eindhoven – Pays-Bas
Monsieur Thomas REICHE, Volvo Trucks Global Trucks Technology Advanced Technology and Research, Saint Priest, France (co-encadrant industriel)

Références publiées pendant cette thèse,

– V. Grelet , T. Reiche, V. Lemort, M. Nadri, P. Dufour, « Transient performance evaluation of waste heat recovery rankine cycle based system for heavy duty trucks », Applied Energy, 2016, 165(1), pp. 878–892. DOI : 10.1016/j.apenergy.2015.11.004, OAI : hal-01265044

– V.Grelet, P. Dufour, M. Nadri, V.Lemort, T. Reiche, « Explicit multi model predictive control of a waste heat Rankine based system for heavy duty trucks », 54th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Osaka, Japan, pp. 179-184, december 15-18, 2015. OAI : hal-01265059

– V.Grelet, V.Lemort, M. Nadri, P. Dufour, T. Reiche, “Waste heat recovery Rankine cycle based system modeling for heavy duty trucks fuel saving assessment”, 3rd ASME International Seminar on Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems, Brussels, Belgium, paper 67, october 12-14, 2015. OAI : hal-01265061

– V.Grelet, P. Dufour, M. Nadri, V.Lemort, T. Reiche, “Model based control for Waste Heat Recovery Heat Exchangers Rankine cycle based system in heavy duty trucks”, 3rd ASME International Seminar on Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems, paper 191, Brussels, Belgium, october 12-14, 2015. OAI : hal-01265060

-V.Grelet, P. Dufour, M. Nadri, V.Lemort, T. Reiche, « Modeling and control of Rankine based waste heat recovery systems for heavy duty trucks », IFAC Advanced Control of Chemical Processes (ADCHEM), Whistler, British Columbia, Canada, pp. 569-574, June 7-10, 2015. DOI : 10.1016/j.ifacol.2015.09.028 OAI : OAI : hal-01265053


Remerciements,

Le ministère français de l’enseignement supérieur et de la recherche pour le soutien financier de cette CIFRE Thèse 2012/549 est remercié.

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