Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modèle énergétique d'un cycliste pour la conception de vélo innovant et pour l'évaluation des équipements cyclables

Laboratoire principal - Référent principal AME - EASE  -  VANDANJON Pierre-Olivier      tél. : +33 240845634

Directeur du laboratoire principal DO Minh-Tan  -

Spécialité de la thèse mécatronique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription

Ecole doctorale Mathématiques, STIC

Directeur de thèse prévu VANDANJON Pierre-Olivier  -  Université Gustave Eiffel  -  AME - SPLOTT

Type de financement prévu Autre   - Estaca

Résumé

Confronté à des défis sociaux, économiques et écologiques, les politiques publiques de mobilité urbaine font du vélo un axe majeur de développement pour le transport des personnes et plus récemment, des marchandises [projet européen FCCP].

Cet intérêt renouvelé pour le vélo entraîne des innovations nombreuses sur le matériel en particulier pour les vélos à assistance électrique : stratégie d’assistance électrique, chaine de propulsion (architecture, composants mécaniques, systèmes de stockage d’énergie (pile à combustible, supercondensateur ou encore nouvelles générations de batterie), Les infrastructures par le développement important des pistes cyclables, sont aussi un des éléments majeurs améliorant l’usage du vélo..

L’ESTACA’Lab, le laboratoire de recherche de l’ESTACA, Ecole d’Ingénieurs dans le domaine des transports et des nouvelles mobilités, a une compétence forte en développement d’architecture de systèmes de propulsion de véhicule et en particulier sur l’hybridation des sources d’énergie [9]. Cette compétence a été transposée et développée pour le vélo à assistance électrique, où l’énergie humaine est l’énergie principale de propulsion complétée par une énergie électrique. Classiquement, le vélo à assistance électrique est une architecture hybride parallèle où l’énergie électrique est emmagasinée à l’arrêt par le réseau électrique, puis dépensée à la demande durant le parcours réalisé. L’introduction d’une architecture hybride série (moto-pédalier + moto-roue + système de stockage tampon non connectable au réseau électrique) permet d’avoir uniquement l’énergie humaine comme source primaire d’énergie [10] [11]. De plus, cette architecture découple la vitesse de pédalage et la vitesse d’avancement du vélo. Elle autorise donc une gestion de l’effort du cycliste beaucoup plus lissé évitant l’apparition de fatigue prématurée, augmentant ainsi l’autonomie de déplacement [12]. Les premières études ont été accompagnées au niveau local par l’Agglomération Lavalloise et ont permis le développement d’un banc d’essais statique, constitué d’un tricycle et de composant interchangeable permettant l’étude de différents composants mécaniques et électriques, ainsi que le prototypage de loi de commande de gestion d’énergie. Une deuxième phase de développement s’est appuyé sur la mise en place d’une thèse CIFRE avec la société STEE et le Laboratoire Ampère (CNRS). L’objectif scientifique de cette thèse est de dimensionner la source de stockage électrique en comparant deux solutions : des supercondensateurs et des batteries Li-Ion. Une fois choisie, le dimensionnement de la chaîne de propulsion (moteur, génératrice et système intelligent de gestion d’énergie) pourra être développé. Un des premiers enjeux a été de montrer que le rendement et coût de cette architecture n’étaient pas pénalisant par rapport au vélo classique [11] [12]. L’objectif industriel est le développement de prototypes roulants pour prouver le concept, mais aussi en prenant en compte dès la conception des contraintes de rendement et de coût. Le développement de cette nouvelle architecture a été réalisé avec des modèles multi-domaines dont celui du cycliste. Toutefois, ce modèle « simpliste » demande à être développé pour permettre les futures améliorations dans la conception et le dimensionnement du vélo hybride série. Il permettra de faire des comparaisons entre différentes architectures avec différents composants. Pour obtenir ce modèle, nous devrons avoir un vélo instrumenté adapté aux facteurs dimensionnants et faire une campagne de roulage. Il sera aussi intéressant de pouvoir retirer un cycle de roulage moyen, comme il en existe aujourd’hui pour l’automobile (NEDC – WLTP). Celui-ci permet de dimensionner et comparer les voitures quel que soit leur mode de propulsion.
De son coté, l’université Gustave Eiffel a une compétence forte sur l’usage du vélo et a initié une recherche sur l’évaluation énergétique et environnementale des infrastructures cyclables à travers l’initiative ciblée Cycleval.
Les grandes villes françaises possèdent des cartes de polluants, de bruit, de trafic et une localisation fine des équipements cyclables. Cette thèse permettra un couplage entre ces différentes sources d'information avec un modèle énergétique du cycliste afin de fournir des informations mieux localisées et mieux adaptées à la préparation de déplacements cyclables (usager) ou à la planification d’aménagement cyclables (gestionnaire).
Pour ces derniers, des enquêtes ont été proposées afin d’évaluer de manière macroscopique la potentialité de déplacement en vélo et à pied d' un quartier [Pikora]. À l'échelle d’un petit réseau d’équipement cyclable il est plutôt utilisé des relevés visuels [Gallanis]. À l’échelle d’un réseau plus étendu, le Cerema a développé un appareil d’inspection des désordres des aménagements cyclables : le Vel’audit [3]. L’Ifsttar a récemment développé un vélo instrumenté basée sur une architecture versatile permettant principalement l’évaluation de l’énergie à dépenser par un cycliste pour parcourir un itinéraire. Ce matériel de recherche profite de compétences acquises sur les revêtements routiers ([Coiret]).
Pour le cycliste, il existe un nombre important d’applications de navigation sur smartphone (par exemple, en France, l’application géovélo). A côté de ces outils développés spécifiquement autour de l'usage du vélo, les données environnementales sont aussi en libre accès disponibles dans les grandes villes françaises : carte de bruit, carte de différents polluants réglementés. Ainsi, le citoyen urbain a accès sur son smartphone au niveau de pollution de sa ville (par exemple, l'application plume sur smartphone) et il peut ainsi savoir quand faire du sport, notamment du vélo.
Cependant, si chacun de ces outils est pertinent pour le public visé, ils restent cloisonnés. Une approche combinée permettrait d’améliorer leurs performances. Par exemple, une pollution localisée sur un point de l’itinéraire où le cycliste est en plein effort est considérée comme plus négative qu’une pollution localisée à un endroit où le cycliste fournit un effort normal. Il n’existe pas, actuellement, d’outil permettant d'informer le cycliste et le maître d’ouvrage au sujet de ces points noirs.
Cette thèse permettra de coupler les données environnementales disponibles et les modèles de cycliste pour proposer une évaluation multicritère continue des itinéraires cyclables. Ainsi, le cycliste a une information pertinente par rapport à son trajet en terme d'effort et d'exposition au bruit et aux polluants, et l'aménageur a une vision de l'usage -ou cyclabilité- de son équipement cyclable dans son environnement. En construisant des ponts entre des domaines différents : mécatronique, aménagement, génie civil, médecine du sport, chimie, acoustique, instrumentation, cette thèse est dans l’ADN de l'Université Gustave Eiffel. Elle s’intègre naturellement dans le projet fédérateur Infrastructures de Transition Energétique.

Un verrou scientifique commun aux approches de conception d’architecture de propulsion de l’ESTACA’Lab et Infrastructures de l’Université Gustave Eiffel est un modèle de cycliste. Ce verrou sera levé pendant la thèse. Ce verrou est l’entrée pour chacune de ces approches. Il permet de dimensionner, développer et étudier des nouvelles architectures de propulsion de véhicule à énergie humaine, ainsi que les infrastructures utilisées.

Sujet :

Conception intégrée d’un Vélo à architecture Hybride Série comprenant un modèle énergétique de cycliste

Profil du candidat :
Ingénieur ou Master type mesures physiques, intéressé par la confrontation des modèles à la réalité par des expérimentations, sensible aux enjeux environnementaux. Le doctorant sera au centre d’un réseau d’experts de différentes disciplines. Au-delà des compétences techniques, il s’agit d’avoir les qualités humaines nécessaires pour interagir avec ce réseau. Le doctorant devra confronter les propositions des experts par rapport à son objectif. C’est pourquoi, une expérience dans le domaine des études sur le vélo est un plus.

Mots-clefs: mécatronique, Vélo, Energie

Laboratoire principal - Référent principal	AME - EASE - VANDANJON Pierre-Olivier tél. : +33 240845634
Directeur du laboratoire principal	DO Minh-Tan -
Spécialité de la thèse	mécatronique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription
Ecole doctorale	Mathématiques, STIC
Directeur de thèse prévu	VANDANJON Pierre-Olivier - Université Gustave Eiffel - AME - SPLOTT
Type de financement prévu	Autre - Estaca
Résumé Confronté à des défis sociaux, économiques et écologiques, les politiques publiques de mobilité urbaine font du vélo un axe majeur de développement pour le transport des personnes et plus récemment, des marchandises [projet européen FCCP]. Cet intérêt renouvelé pour le vélo entraîne des innovations nombreuses sur le matériel en particulier pour les vélos à assistance électrique : stratégie d’assistance électrique, chaine de propulsion (architecture, composants mécaniques, systèmes de stockage d’énergie (pile à combustible, supercondensateur ou encore nouvelles générations de batterie), Les infrastructures par le développement important des pistes cyclables, sont aussi un des éléments majeurs améliorant l’usage du vélo.. L’ESTACA’Lab, le laboratoire de recherche de l’ESTACA, Ecole d’Ingénieurs dans le domaine des transports et des nouvelles mobilités, a une compétence forte en développement d’architecture de systèmes de propulsion de véhicule et en particulier sur l’hybridation des sources d’énergie [9]. Cette compétence a été transposée et développée pour le vélo à assistance électrique, où l’énergie humaine est l’énergie principale de propulsion complétée par une énergie électrique. Classiquement, le vélo à assistance électrique est une architecture hybride parallèle où l’énergie électrique est emmagasinée à l’arrêt par le réseau électrique, puis dépensée à la demande durant le parcours réalisé. L’introduction d’une architecture hybride série (moto-pédalier + moto-roue + système de stockage tampon non connectable au réseau électrique) permet d’avoir uniquement l’énergie humaine comme source primaire d’énergie [10] [11]. De plus, cette architecture découple la vitesse de pédalage et la vitesse d’avancement du vélo. Elle autorise donc une gestion de l’effort du cycliste beaucoup plus lissé évitant l’apparition de fatigue prématurée, augmentant ainsi l’autonomie de déplacement [12]. Les premières études ont été accompagnées au niveau local par l’Agglomération Lavalloise et ont permis le développement d’un banc d’essais statique, constitué d’un tricycle et de composant interchangeable permettant l’étude de différents composants mécaniques et électriques, ainsi que le prototypage de loi de commande de gestion d’énergie. Une deuxième phase de développement s’est appuyé sur la mise en place d’une thèse CIFRE avec la société STEE et le Laboratoire Ampère (CNRS). L’objectif scientifique de cette thèse est de dimensionner la source de stockage électrique en comparant deux solutions : des supercondensateurs et des batteries Li-Ion. Une fois choisie, le dimensionnement de la chaîne de propulsion (moteur, génératrice et système intelligent de gestion d’énergie) pourra être développé. Un des premiers enjeux a été de montrer que le rendement et coût de cette architecture n’étaient pas pénalisant par rapport au vélo classique [11] [12]. L’objectif industriel est le développement de prototypes roulants pour prouver le concept, mais aussi en prenant en compte dès la conception des contraintes de rendement et de coût. Le développement de cette nouvelle architecture a été réalisé avec des modèles multi-domaines dont celui du cycliste. Toutefois, ce modèle « simpliste » demande à être développé pour permettre les futures améliorations dans la conception et le dimensionnement du vélo hybride série. Il permettra de faire des comparaisons entre différentes architectures avec différents composants. Pour obtenir ce modèle, nous devrons avoir un vélo instrumenté adapté aux facteurs dimensionnants et faire une campagne de roulage. Il sera aussi intéressant de pouvoir retirer un cycle de roulage moyen, comme il en existe aujourd’hui pour l’automobile (NEDC – WLTP). Celui-ci permet de dimensionner et comparer les voitures quel que soit leur mode de propulsion. De son coté, l’université Gustave Eiffel a une compétence forte sur l’usage du vélo et a initié une recherche sur l’évaluation énergétique et environnementale des infrastructures cyclables à travers l’initiative ciblée Cycleval. Les grandes villes françaises possèdent des cartes de polluants, de bruit, de trafic et une localisation fine des équipements cyclables. Cette thèse permettra un couplage entre ces différentes sources d'information avec un modèle énergétique du cycliste afin de fournir des informations mieux localisées et mieux adaptées à la préparation de déplacements cyclables (usager) ou à la planification d’aménagement cyclables (gestionnaire). Pour ces derniers, des enquêtes ont été proposées afin d’évaluer de manière macroscopique la potentialité de déplacement en vélo et à pied d' un quartier [Pikora]. À l'échelle d’un petit réseau d’équipement cyclable il est plutôt utilisé des relevés visuels [Gallanis]. À l’échelle d’un réseau plus étendu, le Cerema a développé un appareil d’inspection des désordres des aménagements cyclables : le Vel’audit [3]. L’Ifsttar a récemment développé un vélo instrumenté basée sur une architecture versatile permettant principalement l’évaluation de l’énergie à dépenser par un cycliste pour parcourir un itinéraire. Ce matériel de recherche profite de compétences acquises sur les revêtements routiers ([Coiret]). Pour le cycliste, il existe un nombre important d’applications de navigation sur smartphone (par exemple, en France, l’application géovélo). A côté de ces outils développés spécifiquement autour de l'usage du vélo, les données environnementales sont aussi en libre accès disponibles dans les grandes villes françaises : carte de bruit, carte de différents polluants réglementés. Ainsi, le citoyen urbain a accès sur son smartphone au niveau de pollution de sa ville (par exemple, l'application plume sur smartphone) et il peut ainsi savoir quand faire du sport, notamment du vélo. Cependant, si chacun de ces outils est pertinent pour le public visé, ils restent cloisonnés. Une approche combinée permettrait d’améliorer leurs performances. Par exemple, une pollution localisée sur un point de l’itinéraire où le cycliste est en plein effort est considérée comme plus négative qu’une pollution localisée à un endroit où le cycliste fournit un effort normal. Il n’existe pas, actuellement, d’outil permettant d'informer le cycliste et le maître d’ouvrage au sujet de ces points noirs. Cette thèse permettra de coupler les données environnementales disponibles et les modèles de cycliste pour proposer une évaluation multicritère continue des itinéraires cyclables. Ainsi, le cycliste a une information pertinente par rapport à son trajet en terme d'effort et d'exposition au bruit et aux polluants, et l'aménageur a une vision de l'usage -ou cyclabilité- de son équipement cyclable dans son environnement. En construisant des ponts entre des domaines différents : mécatronique, aménagement, génie civil, médecine du sport, chimie, acoustique, instrumentation, cette thèse est dans l’ADN de l'Université Gustave Eiffel. Elle s’intègre naturellement dans le projet fédérateur Infrastructures de Transition Energétique. Un verrou scientifique commun aux approches de conception d’architecture de propulsion de l’ESTACA’Lab et Infrastructures de l’Université Gustave Eiffel est un modèle de cycliste. Ce verrou sera levé pendant la thèse. Ce verrou est l’entrée pour chacune de ces approches. Il permet de dimensionner, développer et étudier des nouvelles architectures de propulsion de véhicule à énergie humaine, ainsi que les infrastructures utilisées. Sujet : Conception intégrée d’un Vélo à architecture Hybride Série comprenant un modèle énergétique de cycliste Profil du candidat : Ingénieur ou Master type mesures physiques, intéressé par la confrontation des modèles à la réalité par des expérimentations, sensible aux enjeux environnementaux. Le doctorant sera au centre d’un réseau d’experts de différentes disciplines. Au-delà des compétences techniques, il s’agit d’avoir les qualités humaines nécessaires pour interagir avec ce réseau. Le doctorant devra confronter les propositions des experts par rapport à son objectif. C’est pourquoi, une expérience dans le domaine des études sur le vélo est un plus.
Mots-clefs:	mécatronique, Vélo, Energie

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