Conception d'une interface d'électronique de puissance pour pile à combustible

par Bang Viet Dang

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-Paul Ferrieux et de Yves Lembeye.

Soutenue en 2006

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) , en partenariat avec Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006) (laboratoire) .

Le président du jury était Seddik Bacha.

Le jury était composé de Luis Martinez-Salamero, Jean Barbaroux, Alain Lacarnoy.

Les rapporteurs étaient Alain Berthon, Philippe Le Moigne.

mots clés

• Convertisseur DC-DC
• Interface électronique de puissance
• Piles à combustible

Résumé

La pile à combustible (PAC) est une technologie maintenant maîtrisée qui permet de convertir efficacement le combustible hydrogène en énergie électrique et thermique avec un faible impact environnemental. L'extension de son utilisation dépend fortement de la qualité de l'interface électronique de puissance qui a pour l'objet d'adapter la pile à la charge. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de Doctorat s'intéresse à la conception d'une interface électronique de puissance pour la pile à combustible pour les trois domaines d'applications : télécommunication, transport et stationnaire. Dans cette objective, l'approche modulaire, qui se base sur l'étude des convertisseurs unitaires et leurs modes de connexion, a été proposée afin de s'adapter à la modularité des stacks de PAC. Des modèles de pertes et de dimensionnement des composants passifs et semi conducteurs ont été construits. La technique de l'entrelacement est introduite afin de résoudre le problème de fort courant et permet d'optimiser le dimensionnement des inductances. Une nouvelle structure nommée double BOOST dual entrelacé (Interleaved Double Dual BOOST – IDD BOOST) a été proposée afin de résoudre les difficultés d'un convertisseur modulaire présentant une tension de sortie élevée et un rapport de tension important. Les stratégies de contrôle – commande multi sources ont été étudié en adaptant aux topologies de l'interface de puissance. Deux prototypes ont été réalisés afin de valider les résultats de prédiction de pertes ainsi que le contrôle commande multi sources.

Titre traduit

Power electronics interface conception for fuel cell applications

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Résumé

The Fuel Cell (FC) is an efficient generator using hydrogen based fuel to produce electrical energy and thermal energy with low environmental impact. The extension of fuel cell applications depends essentially on the power electronics interface which adapts it to the load. This PhD research centres the conception of optimal power electronics interfaces for three fuel cell applications fields: transport, stationary and telecommunications. In this purpose, modular approach which is based on unitary converter and connexion modes has been proposed to adapt to the stacks manufacturing feature of fuel cell. Losses models and dimensioning models of active and passive components like inductors, semi conductors have been presented. Interleaving technique has been applied to deal with the high current problem and to optimize the dimensioning of inductors. A new structure, named interleaved double dual BOOST – IDD BOOST, has been proposed to solve the voltage constraints such as: high output voltage, high voltage ratio. Multi-sources control strategies have been built to adapt to interface topology. Two prototypes were manufactured to validate losses prediction as well as control strategies.