Control of an ultrahigh speed centrifugal compressor for the air management of fuel cell systems

par Dongdong Zhao

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Abdellatif Miraoui, David Bouquain et de Fei Gao.

Soutenue le 10-12-2013

à Belfort-Montbéliard , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec IRTES. SET (laboratoire) .

Le président du jury était Bernard Davat.

Le jury était composé de Abdellatif Miraoui, David Bouquain, Fei Gao, Bernard Davat, Mohamed Benbouzid, Demba Diallo, Manfeng Dou, Mahesh Krishnamurthy.

Les rapporteurs étaient Mohamed Benbouzid, Demba Diallo.

  • Titre traduit

    Commande d'un compresseur centrifuge à vitesse ultra-haute pour la gestion de l'air du système de piles à combustible


  • Résumé

    Le compresseur d'air alimentant en oxygène la pile est un élément important dans les systèmes pile à combustible. Le compresseur peut consommer jusqu'à 20% de l'électricité produite dans les cas les plus défavorables. Le choix et le dimensionnement du compresseur, ainsi que son système de contrôle associé, sont directement liés à la performance du système global. La taille et le poids du système de compression d'air doivent être réduits pour le rendre plus adapté aux applications automobiles. En outre, le contrôle du système de compression d'air est également une problématique importante car il affecte l'efficacité et la sécurité de fonctionnement de la pile à combustible. Pour éviter une sous-alimentation en oxygène de la pile, le débit massique d’air fourni doit être géré de façon appropriée en fonction de la demande de la charge électrique. Pendant ce temps, la pression ne doit pas montrer de trop grandes variations ou ondulations qui peuvent endommager la membrane de la pile.Un contrôle à découplage proposé récemment dans la littérature, nommé contrôle à découplage de perturbation (DDC), est utilisé pour le système de compression centrifuge. Le DDC traite les interactions internes comme une perturbation, puis les éliminent dans le contrôle. Les performances du DDC sont comparées à un dispositif de commande en mode glissant décentralisé. Grâce à la comparaison de ces deux contrôleurs, les résultats montrent que le DDC proposé est performant tant pour des cas stables que dynamiques. Le compresseur centrifuge est donc utilisable pour les systèmes pile à combustible automobiles. Sur un banc d'essai hardware-in-the-loop (HIL), le contrôleur proposé est validé avec un modèle de pile à combustible de 10 kW avec des demandes de charge variables. En outre, une méthode d'évitement d’instabilité, à savoir un limiteur de référence, est proposé pour empêcher le dépassement de la ligne de pompage du compresseur. Les résultats expérimentaux montrent que, dans tous les cas, la zone d’utilisation du compresseur est bien cantonnée à droite de la ligne de pompage.


  • Résumé

    Air compressor supplying the oxygen to the stack is an important component in the fuel cell systems. The compressor can consumes up to 20 % of the generated power in the most severe cases. The selecting of the compressor and corresponding control are directly related to the performance of the fuel cell. The size and weight of the air compressor has to be reduced to make them more feasible for automotive applications. Moreover, the control of the air compression system is also an important issue, which affects the efficiency and the safety of the fuel cell. To avoid oxygen starvation of the stack, the mass flow of the supplied air has to be controlled appropriately according to the load demand. Meanwhile, the pressure should not have large deviations or ripples which may damage the stack membrane.A recently proposed disturbance decoupling control (DDC) is used for the centrifugal compression system. DDC treats the internal interactions as a disturbance and then eliminates them in the control. The performance of the DDC is compared with a decentralized sliding mode controller. Through the comparison of those two controllers, the results show that the proposed DDC performs better in both the steady state and dynamic conditions, making the centrifugal compressor is capable of applying to the fuel cell in automotive applications. On a hardware-in-the-loop (HIL) testbench, the proposed controller is validated with a 10 kW fuel cell model under varied load demands. Moreover, a surge avoidance method, namely reference limiter, is proposed to prevent the compressor from surging. The experimental results show that the operation is restricted to the right of the surge line.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de technologie de Belfort-Montbéliard. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.