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PLAN DE COURS TRIMESTRE Hiver 2018 ENR-880 .... Abu Rub, M. Malinowski, Kamal Al-Haddad, Power Electronics for Renewable energy systems, transportation and industrial applications,

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ENR-880 Plan de cours – Hiver 2018 Page 1 sur 7 Électrification des Transports

Département de génie électrique Département de génie mécanique Programme de maîtrise

PLAN DE COURS – TRIMESTRE Hiver 2018 ENR-880 Électrification des Transports

1. DESCRIPTION SOMMAIRE

À la fin de ce cours, l’étudiant sera en mesure :

De comprendre l’électrification des transports et son contexte politique, économique et

technologique (innovations technologiques, politiques environnementales et industrielles,

évolutions du prix du pétrole, etc.).

D’identifier et d’analyser les différentes parties d’un système de transport en fonction de

conditions spatiales - géographiques et socio-économiques ;

D’analyser un système de transport électrifié, de connaître les fonctions des sous-systèmes et de

proposer des solutions pour l’optimisation de celui-ci ;

D’analyser les interconnexions entre différents sous-systèmes existants dans un système

d’électrification de transport urbain ;

De concevoir, selon les conditionnes réelles d’exploitation, les différentes parties des sous-

systèmes du système d’électrification de transport urbain.

2. OBJECTIFS SPÉCIFIQUES

1. Comprendre les objectifs et impacts potentiels de l’électrification des transports. 1.1 Comprendre les avantages et désavantages des modes de transports électriques 1.2 Comprendre les impacts sur l’environnement et l’aménagement urbain 1.3 Connaître les fondamentaux de la traction et l’avantage de la traction électrique 1.4 Identifier les pistes d’économie d’énergie en traction électrique 1.5 Comprendre les enjeux de sécurité et de fiabilité des technologies dites intelligentes. 1.6 Connaître les politiques d’électrification des principaux pays (E-U, Europe, Chine, Japon,

Canada, etc.) 1.6 Comprendre les trajectoires possibles pour une transition vers l’électrification au Québec et

internationalement

2. Résoudre des problèmes d’électrification. 2.1 Établir les écoulements de puissance des systèmes de trains en courant continu ; 2.2 Effectuer des analyses de performance énergétique et économique de base pour des

voitures ou des véhicules lourds ; 2.3 Formuler correctement un problème :

Identifier les données pertinentes et les quantités demandées ;

exécuter un schéma du problème;

Enseignants Groupe 01 Kamal Al-Haddad François Ruelland Marius Magazin Alexandre Beaudet

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formuler des hypothèses pour résoudre;

effectuer les calculs pertinents;

interpréter le résultat. 2.4 Présenter la solution de problèmes ayant des impacts sociaux, économiques et techniques.

3. Faire des études de faisabilité ou des projets. 3.1 À partir de mises en situation, identifier le ou les projet(s) pertinent(s); 3.2 Identifier les moyens possibles pour réduire la consommation, réduire les pertes, mieux

employer l’énergie, recycler l’énergie, stocker l’énergie ; 3.4 Identifier les convertisseurs électroniques de puissance constituant l’interface entre la

source d’énergie renouvelable et le réseau électrique auquel elle sera connectée.

Organisation des objectifs du cours

3. STRATÉGIES PÉDAGOGIQUES

En classe : Hors classe (le dossier de cours) :

Énoncés magistraux Préparation au cours

Périodes de questions et discussions Lecture complémentaire (documents en F&A)

Séminaires avec invités

Capsules de mise à niveau

Étude et recherche Préparation d’une monographie

Évaluation formative (discussions) Préparation du séminaire

Évaluation sommative Recherche bibliographique

Les énoncés magistraux s’étendent, en moyenne, sur la moitié du temps de classe. Ils sont soutenus par des documents visuels, particulièrement des transparents, notes de cours, projections électroniques. Ils visent à exposer la théorie mais surtout à en présenter les applications, à préciser des concepts et enfin à stimuler l’intérêt pour cette discipline.

Les questions sont adressées dans les deux sens. D’une part, le professeur ou son invité effectue des pauses pour permettre de vérifier la transmission de la matière et adresse aussi des questions spécifiques à des individus. D’autre part, les étudiants sont invités à interrompre le cours des énoncés dès qu’une difficulté survient. Par ailleurs, lorsque des questions, suggestions ou revendications doivent être adressées au professeur à l’extérieur de la classe, les étudiants sont invités à utiliser le courrier électronique. Les séminaires sont des tables rondes auxquelles un invité spécialiste de l’extérieur participe en prononçant une allocution pour ensuite répondre à des questions, poser des questions susceptibles de lancer un débat, modérer un débat, apporter des précisions et des faits pour éclairer le jugement et les décisions des participants.

Les capsules de mise à niveau permettent à l’étudiant gradué de s’initier aux concepts fondamentaux de mécanique (pertes de charge, échangeurs, aérodynamique, etc.) en vue de greffer ce savoir aux notions d’énergies de transport présentées dans le cours. Elles permettent aussi de se familiariser avec les notions de base en électricité (puissance, énergie, transmission, conversion, impédance, courant DC et AC, etc.). Les capsules comportent de courtes présentations et un ou deux problèmes ou applications.

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4. CONTENU DU COURS

Cours No

Description heures

1 Présentation générale du cours (contenus, examens et projets d’équipe par ).

Types de véhicules terrestres. Comment caractériser les performances d’un véhicule.

Types de traction : traction mécanique, moteurs thermiques (moteur à essence, moteur diesel), traction électrique.

Les caractéristiques nécessaires d’un moteur électrique pour répondre à un programme de traction électrique. (KAL/MIM).

3

2 Diagrammes de fonctionnement du moteur. Moteur électrique triphasé. Les caractéristiques de fonctionnement d’une locomotive électrique : traction, freinage, limitations.

Vitesse maximale, vitesse commerciale, charge maximale.

Optimisation du trajet en fonction des conditions géographiques. Coûts comparatifs des transports sur le plan énergétique (MIM)

3

3 Partie mécanique d’un véhicule électrique : locomotive, tramway, métro, trolleybus, véhicule électrique; avantages et limitations. Puissance, rendement, échauffement des moteurs électriques de traction.

Développements futurs, véhicules non conventionnels (sustentation magnétique, monorail, funiculaire, etc.) (MIM)

3

4 Infrastructure pour l’électrification des transports : voies (voie ferrées, rues et routes). Équipements fixes : sous-stations de traction électrique, postes d’alimentation en énergie électrique; conditions; limitations. Constructions spécialisés : ponts, tunnels, etc.

Exemplification : profil du tunnel du Métro.

Coût de construction, coût d’exploitation et coût d’entretien pour un réseau de transport ferroviaire électrifié. (MIM)

3

5 Introduction au secteur des véhicules électriques : Survol des types de véhicules, technologies et infrastructures associées à l’électrification (batteries, traction électrique, infrastructure de recharge, etc.). Forces motrices de l’électrification des transports (changement climatique, pollution urbaine, dépendance énergétique et géopolitique du pétrole, développements technologiques, etc.). Obstacles techniques, économiques et autres à l’électrification. (AB)

6 Obstacles techniques, économiques et autres à l’électrification, etc. Trajectoires possibles pour le développement du véhicule électrique au Québec et internationalement. Revue des projets d’équipe. (AB)

7 Méthodes d’analyse technico-économique (analyse du cycle de la vie,

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comparaisons de coûts, etc.). Revue des projets d’équipe. (AB)

8 Examen sur les cours 1-11-12. Opportunités de recherche, d’innovation, d’entrepreneuriat et d’emploi dans le secteur des véhicules électriques, au Québec et internationalement. (AB)

9 Divers modes de transport électriques ferroviaires tel le tramway, le tram-train ou le métro léger (light rail) le métro lourd, la voiture électrique, les niveaux de recharge.

Modélisation et simulation du réseau électrique à courant continu, différentes phases de fonctionnement d’un train. Puissance énergie et performance des réseaux, modes de transfert énergétique. Pistes d’économie d’énergie et optimisation. (FR)

3

10 Méthode d’étude de l’écoulement de puissance, Élévation du potentiel de terre des réseaux utilisant les rails. Études de nivellement de puissance. (FR)

3

11 Fiabilité, maintenabilité, disponibilité et sécurité des systèmes de transports basés sur l’électronique, normes et plan d’acceptation des fournitures. Équations de base des systèmes réparables. Rôle de la signalisation ferroviaire. (FR)

3

12 Introduction à la chimie et la thermodynamique des piles combustibles. Électrochimie des batteries, performance des modes de stockage. (FR)

3

13 Conversion de l’énergie électrique utilisant de convertisseurs statiques à base des circuits électronique de puissance dans les transports électriques. Réseau à courant continu, réseau à courant alternatif, entraînements électriques ; convertisseurs à courant continu, onduleurs. Application au système de traction des voitures et trains électriques. (KAL)

3

14 Présentations des projets (KAL) 3

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5. ÉVALUATION

Rôle de l’évaluation des apprentissages

Sommative : jugement à terme ou somme des connaissances, jugement définitif sans rétroaction possible. BUT : prise de décision

Formative : jugement en cours d'apprentissage, jugement qui permet la rétroaction et les correctifs. BUT : amélioration de l'apprentissage

Séminaires : Une équipe d’étudiants (2 min) prépare une recherche sur un sujet déterminé en début de session. Le sujet sera choisi à la semaine 2 et approuvé à la semaine 3. Le sujet sera présenté devant la classe lors de la période réservée à l’examen final. Les professeurs évaluent les présentations de même que la qualité des discussions qui suivent les présentations. La pondération de cette présentation est de 10%.

Monographies : L’équipe remet à l’équipe professorale une copie papier (recto-verso) et une version électronique (respectant le format demandé) de la monographie qu’ils ont rédigée sur le sujet de recherche qu’ils ont abordé. Cette monographie compte pour 30% de la note totale obtenue. Activités Dates %

Équipes À la 1e semaine - Sujets À la 3e semaine - Examen 1 À la 5e semaine 20 Examen 2 À la 9e semaine 20 Examen 3 À la 13e semaine 20

Séminaire Pendant la semaine d’examen, 14e semaine 10 Monographie Remise à la 12e semaine 30

CLAUSE PARTICULIÈRE. Une note de 50 % ou plus dans les examens est nécessaire pour passer le cours.

ABSENCE À UN EXAMEN. Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence auprès de la Coordonnatrice - Affaires départementales (Génie mécanique) pour un examen durant le trimestre et auprès au Bureau du registraire (nouveauté 2013) pour un examen finala. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen, entraînera l’attribution de la note zéro (0).

PLAGIAT ET FRAUDE. Les clauses du « Chapitre 10 : Plagiat et fraude » du « Règlement des études de 1er cycle » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département de génie mécanique. Afin de sensibiliser les étudiants au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doivent consulter la page Citer, pas plagier!b :

a La nouvelle procédure à suivre par l’étudiant est disponible sur le site de l’École sous la rubrique Étudiants actuels /

Examens finaux de chaque programme d’études. b http://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Cycles-sup/Realisation-etudes/Citer-pas-plagier

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6. DOCUMENTATION OBLIGATOIRE

(Pas de documentation obligatoire)

7. BIBLIOGRAPHIE SOMMAIRE

7.1 Livres et monographies

Roger Kaller, Jean-Marc Allenbach, La traction électrique, Presse Polytechniques et universitaires Romandes, 2000

Revues Technique de l’ingénieur 2005 et les années subséquentes

H. Abu Rub, M. Malinowski, Kamal Al-Haddad, Power Electronics for Renewable energy systems, transportation and industrial applications, IEEE Wiley, 2015

7.2 Articles

Beaudet, Alexandre. “Competing Pathways for the Decarbonisation of Road Transport: A Comparative Analysis of Hydrogen and Electric Vehicles”, Thèse de doctorat, Imperial College London, 2010.

Gibbins, J., Beaudet, Al, et al. “Electric Vehicles for Low-carbon Transport” Energy - Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 2007.

Ruelland, Francois, and Kamal Al-Haddad. "Two Methods for the Optimization of Subway Tunnel Profiles."

2006 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. 2006. Renewable Energy, Journal

Ruelland, François, and Kamal Al-Haddad. "Simulation and optimization of subway tunnel profiles." Industrial Electronics, 2005 IEEE ISIE.

Ruelland, Francois, and Kamal Al-Haddad. "Power peak shaving for a subway an opportunity study." 2009

IEEE Electrical Power&Energy Conference (EPEC). 2009. Biomass & Bioenergy, Journal

Hamimi, Amina N., François Ruelland, and Kamal Al-Haddad. "Resonance effect of insulated negative current rail in a subway network." Mathematics and Computers in Simulation 81.2 (2010): 382-393. Geothermics, Journal

Ruelland, Francois, and Kamal Al-Haddad. "Reducing subway's energy." 2007 IEEE Canada Electrical

Power Conference. 2007. Energy Conversion and Management, Journal

Ruelland, Francois, and Kamal Al-Haddad. "Factors for an LRV voltage booster simulation." IECON 2012-

38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. 2012. Energy, Journal

Naghizadeh Nina, Ruelland Francois and Kamal Al-Haddad ‘’Converter Design for a Railway Voltage Booster Using Two Simulators’’, 2015 IEEE Vehicular Power and Propulsion Conference

Haitham Abu Rub, Mariusz Malinowski, Kamal Al-Haddad, Power Electronics for Renewable Energy Systems, Transportations and Industrial Applications, Willey-IEEE, 2014.

Bhim Singh, Ambrish Chandra, Kamal Al-Haddad, Power Quality Problems and mitigation techniques, Wiley, 2015

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Courriel « ÉTUDIANTS-PROFESSEURS »

Le Service des technologies de l’information, en collaboration avec les départements et le Service des

enseignements généraux, vous présentent leur service de « courriel étudiants-professeurs ».

Cet outil vise à augmenter la quantité de services offerts aux étudiants et à favoriser un échange accru

d’informations entre les étudiants et les professeurs. Chaque étudiant disposera d’une boîte de courriel

(15 MB) et d’une adresse normalisée. Chaque professeur pourra ainsi communiquer avec un étudiant

ou avec l’ensemble des étudiants inscrits à son cours.

a) clientèle cible :

Tous les étudiants inscrits à chaque session.

b) accessibilité :

- à partir d’un fureteur quelconque sur le site WEB de l’ÉTS sous la rubrique :

GUICHET INTERACTIF.

- à partir d’un fureteur quelconque à l’adresse suivante :

http://webmail.ens.etsmtl.ca

- à partir d’un logiciel client en mode POP3 ou MAPI :

serveur entrant : webmail.ens.etsmtl.ca

serveur sortant : le serveur SMTP de votre fournisseur Internet.

c) authentification au système de courriel :

À chaque session de travail, le système de courriel vous demandera de vous identifier; une fenêtre

(Mot de passe réseau) apparaîtra et vous devrez fournir à la rubrique :

Nom de l’utilisateur : votre code d’accès universel;

Mot de passe : votre NIP (utilisé dans ChemiNot).

Pour connaître votre code d’accès universel? Allez dans ChemiNot, sous l’onglet intitulé : Info.

générales. La forme générale de ce code est la suivante : AA99999. Si vous avez oublié votre NIP,

allez au Bureau du registraire.

Avec la création de votre boîte de courriel, le système de courriel vous a également créé une adresse

électronique dite « normalisée » que vous pouvez diffuser. Elle a la forme suivante :

Pré[email protected] (disponible dans ChemiNot).

Notez que cette adresse normalisée ne contient pas de caractères accentués, ni de caractères

spéciaux comme par exemple : l’apostrophe et l’espace (les logiciels de courriel ont horreur de ces

caractères).

Bonne utilisation.

Service de l’informatique et des télécommunications