Electrochemical Virtual Sensor Development for Lithium-ion Batteries

Doctorant : Mian Mohammad Arsalan ASIF

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 : EEA

In this doctoral thesis, the author focuses on advancing the modeling and design of observers for lithium-ion batteries (LiBs). LiBs play a critical role in the transition to renewable energy and vehicle electrification, but they still present challenges in terms of performance, safety and management. The author develops a multi-particle model with electrolyte dynamics (MPMe) to better represent the behavior of LiBs. Additionally, state observers are designed to estimate the lithium concentration in the electrolyte and the solid lithium concentration. These observers are validated using simulations, demonstrating their effectiveness in real-time monitoring of LiBs. This research aims to improve the performance, safety and reliability of LiBs, thereby contributing to wider adoption of electric vehicles and sustainable electrification of the transport sector.

Optimisation énergétique d’un groupe frigorifique au CO2 transcritique

Doctorante : Ana Maria PAEZ ALVAREZ

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Le dioxyde de carbone (CO2, R744) est une alternative prometteuse pour les systèmes de réfrigération car il ne contribue pas à l'appauvrissement de la couche d'ozone et a peu d'impact sur le réchauffement climatique par rapport aux autres fluides frigorigènes conventionnels tels que les HFC et les HFO. De plus, contrairement à certains fluides naturels, il n'est ni toxique, ni inflammable, ni corrosif. Toutefois, les systèmes de réfrigération au CO2 ont des performances limitées en raison de leur basse température critique, qui peut être inférieure à la température extérieure. Par conséquent, ils doivent fonctionner en régime transcritique, à une très haute pression.

Cette thèse a pour objectif d'améliorer les performances des systèmes de réfrigération au CO2 dans la production de froid positif pour les vitrines des supermarchés ou pour des applications de climatisation. Dans un premier temps, une étude bibliographique a été menée sur les différentes configurations proposées dans la littérature, ainsi qu'une étude expérimentale de la performance des différents agencements (y compris l'ajout d'échangeurs de chaleur et d'un multi-éjecteur liquide) installés dans un banc d'essai régulé de taille industrielle (40 kW froid). Les résultats ont également été utilisés pour estimer les performances de machines au CO2 dans différentes zones climatiques de la France et avec une puissance frigorifique représentative des supermarchés. Ensuite, des modèles de simulations dynamiques ont été développés sous Dymola (Modelica 4.0) et validés avec les résultats expérimentaux obtenus précédemment. Les écarts entre la simulation et l'expérimentation sont très satisfaisants, étant inférieurs à 8 %. Dans un deuxième temps, différentes améliorations du cycle thermodynamique ont été proposées : les résultats de la thèse montrent une augmentation du coefficient de performance (COP) au-delà de 17 %. Enfin, une brève étude énergétique et d'inflammabilité a été réalisée sur les mélanges CO2/propane comme alternative pour optimiser le COP d'une installation transcritique au CO2.

Optimisation énergétique dans la rénovation du bâtiment

Doctorant : Souleymane DANIEL

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Ce travail de thèse s’intéresse à la prise des décisions pour les choix de solutions de rénovation énergétique des bâtiments résidentiels collectifs. Comme seulement 1 % des nouvelles constructions sont ajoutées au parc immobilier chaque année en France, la rénovation est le levier principal dans la sobriété énergétique. L'objectif de la thèse est d'aider les acteurs de la rénovation énergétique à élaborer une stratégie de rénovation en utilisant une méthode d'aide à la décision adaptée. Le projet de recherche s'appuie sur un cas d'étude concret, une résidence qui comprend 67 logements répartis dans trois bâtiments.

 

Caractérisation, mise en forme et recyclage de polymères biosourcés pour le développement d’un procédé de fabrication plastronique respectueux de l’environnement

Doctorante : Caroline GOUMENT

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Dans la très grande majorité des cas, les objets électroniques de la vie quotidienne ont une enveloppe plastique à base de matériaux polymères issus de la pétrochimie. Remplacer les matériaux issus de la pétrochimie par des matériaux plus respectueux de l’environnement est aujourd’hui une transition nécessaire. La plastronique 3D est un domaine émergeant permettant de dépasser certaines limites de l’électronique traditionnelle, notamment parce qu’elle oblige à redéfinir les supports polymères. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet BIOANTENNA du Pack Ambition Recherche de la Région AURA, dont le but est la fabrication d’un dispositif électronique innovant du point de vue des matériaux supports utilisés et des fonctionnalités du circuit électronique. Dans cette thèse, nous étudions un procédé de fabrication de masse de dispositifs électroniques appelé In-Mold Electronics (IME). Celui-ci comporte trois étapes principales
: sérigraphie, thermoformage et surmoulage par injection. Dans l’état de l’art, le polymère de référence en IME est le PolyCarbonate (PC). Notre objectif sera de remplacer le PC par un matériau plus écologique : l’acide PolyLActique (PLA). Ce polymère fait depuis une dizaine d’années l’objet de nombreuses études afin de l’utiliser comme alternative aux polymères techniques issus de la pétrochimie. Le PLA est le polymère biosourcé le plus utilisé aujourd’hui. Il est également biodégradable en compost industriel, ce qui pourrait permettre d’apporter une réponse à la fin de vie des produits et ainsi envisager son utilisation en économie circulaire.

Interprétabilité des réseaux de neurones profonds et segmentation faiblement supervisée des lésions cérébrales sur IRM

Doctorante : Valentine WARGNIER

Laboratoire INSA : CREATIS

Ecole doctorale : ED205 : Interdisciplinaire Sciences Santé

L’imagerie médicale est un outil fondamental pour diagnostiquer les maladies, suivre leur évolution mais aussi comprendre leur fonctionnement afin de mieux les soigner. L’imagerie par résonance magnétique est une méthode de choix pour visualiser le cortex cérébral et ses pathologies comme la sclérose en plaques, une maladie auto-immune inflammatoire et démyélinisante qui est la première cause de handicap non traumatique chez les jeunes adultes, ou encore les gliomes, qui sont les tumeurs primitives cérébrales les plus courantes.
Pour analyser ces images de manière automatique, les méthodes basées sur l’apprentissage profond présentent de très bonnes performances pour différents types de tâches comme la classification ou la segmentation. Ces méthodes automatiques apportent aux cliniciens une pré-analyse très utile dans leurs études ou diagnostics. Cependant, elles nécessitent beaucoup de données pour leur entraînement. Dans le cas des méthodes de segmentation supervisées, les annotations manuelles nécessaires pour chaque image sont très coûteuses. Le développement de méthodes faiblement ou non- supervisées performantes, ne nécessitant pas ou peu d’annotations manuelles, est donc nécessaire. En outre, dans un domaine critique comme celui de la médecine, il est important que les décisions des réseaux soient explicables et s'appuient sur les signes radiologiques de la pathologie présents dans l’image et utilisés par les cliniciens. Or, les réseaux de neurones profonds sont, de par leur grand nombre de paramètres et les interconnexions non linéaires dont ils sont composés, difficiles à expliquer. Proposer des réseaux explicables et interprétables est donc une problématique forte pour l'analyse d’images médicales par apprentissage profond. Dans cette thèse, nous avons abordé ces deux thématiques. En nous focalisant sur une tâche de classification entre des images de sujets sains et des images de patients (notamment atteints de sclérose en plaques ou de gliomes), nous avons montré que la décision des classifieurs de l’état de l’art n’est pas forcément pertinente et en accord avec les aprioris médicaux. Cela peut avoir de lourdes conséquences : pour du diagnostic, l'utilisation de tels classifieurs biaisés n'est pas raisonnable et lorsqu’ils sont utilisés au sein d’autres modèles, comme les modèles génératifs, cela peut faire chuter les performances. Nous avons donc proposé des classifieurs plus interprétables avec une décision davantage basée sur les signes radiologiques de la pathologie considérée. Trois solutions ont été proposées. Tout d’abord, nous avons normalisé l’entrée des réseaux de neurones afin d’éliminer les biais présents dans l’image et qui peuvent être utilisés par les réseaux classiques pour prendre leur décision. Ensuite, nous avons contraint les classifieurs au cours de leur entraînement en utilisant les cartes d’attributions, des méthodes de l’état de l'art permettant d’identifier les zones de l’image d’entrée utilisées par le réseau pour prendre sa décision. Enfin, nous avons utilisé des réseaux intrinsèquement explicables : les réseaux monotones. Nous avons notamment proposé une méthode pour transformer n’importe quelle architecture en réseau monotone alors que les réseaux monotones de l’état de l’art étaient limités à des architectures de très faible profondeur. Avec ces réseaux de classification interprétables ne disposant que du label de l'image à l'entraînement, nous pouvons réaliser une segmentation faiblement supervisée des lésions cérébrales, la décision étant basée sur ces dernières.
 

 

 

 

Etude multi-physique et multi-échelle de la réaction d'hydratation du sulfate de calcium hémihydraté

Doctorant : Alexandre FANTOU

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

En raison de leur capacité de prise, les liants hydrauliques sont utilisés à des fins très variées (matériaux de construction, substituts osseux, ...).
La réaction de prise est toujours initiée par le mélange d'une ou plusieurs poudres fines avec une solution aqueuse.
La dissolution des poudres réactives initiales entraîne la formation d'une pâte visqueuse, dont les propriétés évoluent avec le temps pour former une céramique poreuse monolithique par la nucléation et la précipitation de phase(s) plus stable(s).

Dans le cadre de cette thèse, le plâtre CaSO4.2H2O obtenu par la réaction d'hydratation du sulfate de calcium hémihydraté CaSO4.0,5H2O est étudié dans des conditions standards (e.g., rapport massique liquide/solide, température et pression), afin de développer des techniques de caractérisation multi-physiques et multi-échelles in-situ et ex-situ pour suivre l'évolution de:
-    la composition des phases (réaction de dissolution et de précipitation) à l'aide de mesures calorimétriques, de la diffractométrie des rayons X et de la spectrophotométrie infrarouge à transformée de Fourier;
-    la microstructure à l'aide de la microscopie électronique à balayage et de la microtomographie aux rayons X;
-    les propriétés mécaniques en utilisant la mesure de vitesse de propagation des ultrasons, l'analyse mécanique dynamique en cisaillement et en compression et le test de résistance en compression.
Ce panel de techniques a permis de suivre et de corréler les différentes transitions physiques survenant au cours de la réaction de prise et ainsi de dresser un portrait global des phénomènes physiques mis en jeu.

Développement de méthodes de fusion, modélisation et classification des indicateurs vibratoires de surveillance des ensembles mécaniques basées sur les paramètres d’utilisation. Application à l’hélicoptère

Doctorant : Maxime MEUTERLOS

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les systèmes VHMS (Vibration Health Monitoring System) installés sur les hélicoptères ont un rôle stratégique pour augmenter la sécurité en vol des opérateurs et passagers. Ces systèmes consistent à enregistrer des données opérationnelles en vol, en particulier de nature vibratoire, et à surveiller l’intégrité des ensembles mécaniques par le biais d’indicateurs issus du traitement des signaux. Le principe de base se fonde sur le postulat que l’apparition d’un mode de défaillance engendre une évolution caractéristique des valeurs des indicateurs. Une limite rencontrée par les systèmes VHMS est cependant liée à la forte dépendance des indicateurs aux conditions de vol qui, pour les hélicoptères, sont susceptibles de varier rapidement et de manière complexe. Ces variations, aujourd’hui difficilement maîtrisées, peuvent masquer la signature d’une défaillance mécanique. Il en résulte donc une ambigüité sur l’interprétation de l’origine d’évolution observée des indicateurs. \\ \\
Dans ce manuscrit, des méthodes de normalisation sont développées permettant d’estimer des indicateurs vibratoires normalisés, c'est-à-dire insensibles aux conditions de vol. Dans un premier temps, une revue des méthodes de normalisation couramment utilisées dans la littérature est présentée. Dans un deuxième temps, un cadre statistique paramétrique modélisant les indicateurs vibratoires est proposé et repose sur des modélisations cyclostationnaires du signal vibratoire. Ce cadre paramétrique sera utilisé pour construire deux approches de normalisation des indicateurs vibratoires. La première basée sur le clustering-classification permettant de lier les phases de vol de l’hélicoptère à la statistique de l’indicateur vibratoire. Puis, une deuxième basée sur la régression de paramètres de distributions de quantile conditionnées sur les paramètres de vol expliquant la variabilité des indicateurs de santé. En parallèle, une étude de sensibilité permettant d’identifier ses paramètres de vol est menée.

Evaluation of Electromagnetic Properties Affected by Mechanical Deformation in Non-Oriented Electrical Steel Using Magnetic Non-Destructive Testing

Doctorante : Shurui ZHANG

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Electrical steel is an iron-silicon alloy with specific magnetic properties such as low power loss and high permeability. Electrical steels are massively used for the iron core of motors in electric vehicles. During manufacturing, mechanical stresses and strains are inevitably induced, leading to a degradation of the magnetic performance. Non- destructive testing solutions exist; they indirectly observe material states by setting conformity thresholds and removing all unsatisfactory specimens. Local properties can be observed with X-rays or advanced imaging techniques (such as EBSD), but their cost and complexity make them questionable in the industrial context. Considering that the working principle of the motor core is converting electrical energy to kinetic energy through electromagnetic interaction, this work proposes to use magnetic techniques. The IEC international standards describe classic experimental setups for magnetic characterization (Epstein frame, single-sheet tester, etc.). These methods enable the evaluation of magnetic behaviors via hysteresis curves, but it is destructive, non-local, and incompatible with in-line production. Besides, different mechanisms overlap during the hysteresis cycle characterization, making the influence of stress complex to be evaluated. Current studies on the electromagnetic properties affected by mechanical loading combine the hysteresis curve and magnetic Barkhausen noise (MBN) measurements. However, a comprehensive exploration of the magnetic behavior influence caused by mechanical issues and the corresponding mechanism still needs further understanding. In this work, a combination of several techniques was considered. Integrating multiple detection methods provided more information and support for the integrated analysis of magnetic behavior but also introduced more parameters accordingly. These parameters, introduced more information into the system, leading to complementary conclusions and a very accurate estimation of the mechanical properties and degradation status.

Approche décentralisée de la machine synchrone à bobinage ouvert et de sa commande

Doctorant : Louis DASSONVILLE

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

L’objectif de ce travail est de concevoir un groupe motopropulseur (GMP) résilient aux défauts. Les applications visées sont la mobilité électrique, l’aéronautique et les autres applications qui requièrent un haut niveau de fiabilité. Le travail présenté a pour but d’explorer la résilience des machines synchrones à aimants permanents (MSAPs) à bobinage ouvert, qu’elles soient triphasées ou multiphases. L’approche proposée cherche à rendre chaque enroulement de la machine indépendant. Cette indépendance concerne non seulement la machine elle-même, mais aussi l’électronique et la commande, afin de garantir un haut niveau de résilience, quel que soit l’origine du défaut. Des simulations ainsi que des essais expérimentaux permettent de valider cette approche. Cette nouvelle approche décentralisée du groupe motopropulseur ouvre beaucoup de nouvelles perspectives de recherche, que ce soit dans le domaine des machines électriques, de l’électronique ou de la commande. Cette thèse CIFRE menée en collaboration entre le laboratoire Ampère et l’entreprise Keep’Motion offre l’opportunité de développer un GMP industrialisable d’une très haute fiabilité.

 

 

Modélisation hydrologique de l'infiltration des eaux pluviales dans les sols urbains en prenant en compte les chemins préférentiels

Doctorante : Asra ASRY

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

L'infiltration joue un rôle crucial dans le cycle urbain de l'eau en servant comme limite entre le ruissellement et de l'absorption. Cette étude vise à relever le défi de modéliser de manière pratique et fiable l'infiltration pour les Systèmes de Gestion Durable des Eaux Pluviales (SUDS), en mettant l'accent sur une approche facilement ajustable basée sur des principes physiques, cherchant à équilibrer entre complexité et parcimonie.
Cela implique la nécessité de réduire au maximum le nombre de paramètres, l'utilisation de paramètres physiques collectés sur le terrain et l'examen de l'impact des macropores sur les taux d'infiltration à travers les SUDS. Diverses méthodes ont été introduites et évaluées pour répondre à ces questions. Dans un premier temps, cette thèse propose le développement d'un nouveau module appelé INFILTRON-mod, un modèle d'infiltration basé sur des principes physiques et pouvant être calibré facilement, démontrant ainsi son potentiel d’intégration dans des modèles hydrologiques. Un ensemble important de données expérimentales ainsi que des résultats synthétique (Hydrus) sont utilisés pour la validation. Ensuite, la thèse étend le modèle proposé en incorporant un concept de perméabilité duale pour prendre en compte les écoulements préférentiels dans les SUDS. Finalement, cette étude conduit à une analyse de l'incertitude et de la sensibilité des modèles proposés.
Pour conclure, cette thèse a produit des informations cruciales pour l’optimisation de la modélisation des outils de gestion des eaux urbaines en couplant un volet « science du sol » et un volet « modélisation hydrologique des SUDS ». Il est recommandé de poursuivre les recherches pour améliorer et élargir la portée des modèles proposés, contribuant ainsi à une représentation plus précise des phénomènes hydrologiques dans leur complexité au sein des SUDS.