Fuel cell and power converter systems : model and design

par Benoit Bidoggia

Thèse de doctorat en Electronique de puissance

Sous la direction de Laurent Ventura et de Simone Buso.

Soutenue le 02-12-2009

à Tours en cotutelle avec l'Università degli studi (Padoue, Italie) , dans le cadre de Ecole doctorale Santé, sciences, technologies (Tours) , en partenariat avec Laboratoire de microélectronique de puissance (Tours) (équipe de recherche) et de École polytechnique universitaire (Tours) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Paul Ferrieux.

Le jury était composé de Simone Buso, Giorgio Spiazzi, Thierry Lequeu, Torsten Berning.

Les rapporteurs étaient Alain Berthon, Soren Knudsen Kaer.

mots clés

• Fréquence variable
• Piles à combustible
• Alimentations à découpage
• Hacheurs (électricité)
• Commutation (électricité)
• Circuits de commutation
• Convertisseurs électriques

Titre traduit

Systèmes pile à combustible et convertisseur de puissance : modélisation et conception.

Résumé

Les piles à combustible sont des dispositifs qui permettent de transformer directement l’énergie chimique potentielle d’un carburant en énergie électrique. Elle sont presque toujours couplées à un convertisseur de puissance et l’ensemble est ici appellé « système à pile à combustible ». Le comportement de ces systèmes, les interactions entre ses composants, ainsi que leurs réponses aux stimulations extérieures ont été analysés, étudiés et mesurés. A cet effet, un système à pile à combustible complet a été modélisé. Des critères de dimensionnement pour cas où ni la pile à combustible ni le convertisseur de puissance sont à priori connus ont été identifiés et un prototype a été dimensionné et réalisé. D’autres aspects corrélatifs intéressants ont également été développés et étudiés, comme le fonctionnement du convertisseur à la limite entre les modes de conduction continu et discontinu, ainsi que son contrôle à fréquence de commutation variable. Des résultats expérimentaux et de simulation pour le système et pour les différentes parties dont il est composé sont présentés.

Résumé

Fuel cells are devices in which a fuel’s chemical potential energy is directly converted into electrical energy. They are almost always coupled to a power converter and the ensemble is here called “fuel cell system.” The behaviour of such systems, the interactions between their components,and their responses to external stimulations have been analysed, studied and measured. For this purpose, a complete fuel cell system has been modelled. Sizing criteria for cases where neither the fuel cell nor the power converter are a priori known have been identified, and a prototype has been sized and built. Other interesting correlative aspects have also been developed and studied, like the operation of the power converter on the border between the discontinuousand continuous conduction modes, and its control with a variable switching frequency. Experimental and simulation results for the system and for the different parts that compose it are presented.

Résumé

Le celle a combustibile sono dei dispositivi in cui l’energia chimica potenziale di un combustibile è direttamente convertita in energia elettrica. Quasi sempre le celle a combustibile sono accoppiate a un convertitore di potenza e l’insieme è qui chiamato «sistema a celle a combustibile». Il comportamento di questi sistemi, le interazioni tra i diversi componenti, nonché le loro risposte a stimoli esterni sono stati analizzati, studiati e misurati.A tal fine, un sistema completo a celle a combustibile è stato modellizzato. Sono stati identificati dei criteri di dimensionamento per casi in cui né la cella a combustibile, né il convertitore sono noti a priori, e un prototipo è stato dimensionato e realizzato. Altri interessantiaspetti correlatisonostati sviluppatie studiati,comeil funzionamento del convertitore di potenza al limite fra modo di conduzione discontinuo e continuo, e il suo controllo a frequenza di commutazione variabile. Risultati sperimentali e di simulazione per il sistema e le diverse parti che lo compongono sono presentati.