Contribution à l'étude d'électro-générateurs à pile à combustible : conceptions d'architectures et de leurs commandes

Contribution to the study of fuel cell generators : conceptions of architectures and their commands

• Auteur / Autrice : Toufik Azib
• Direction : Claude Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes dynamiques hybrides

Énergie -- Stockage

Piles à combustible

Mots clés libres

Gestion d'énergie

Hybridation

Décomposition fréquentielle

Représentation énergétique macroscopique (REM)

Commande basée sur la passivité (PBC)

Fonctionnement extrême

Résumé

Cette thèse constitue une contribution par une approche systémique à trouver des voies d'intégration des systèmes pile à combustible pour constituer des électro-générateurs simples, efficaces et fiables. En effet, l'étude propose une méthodologie de développement de commande et gestion d'énergie en ligne de systèmes hybrides ayant une pile à combustible comme source principale et comme élément de stockage des supercondensateurs. La première phase de l'étude a cherché à représenter et caractériser le comportement électrique, à la fois statique et dynamique du générateur pile à combustible sous des sollicitations variables et variées. Ceci a permis de justifier l'utilisation d'une assistance pour pallier les limites intrinsèques du générateur pile à combustible, ici en l'occurrence des superconcensateurs. L'introduction d'un organe de stockage intermédiaire peut ainsi être réalisée par un nombre important d'architectures différentes, l'analyse de leur comportement électrique a conduit au choix des structures à étudier. En s'appuyant sur ce choix, la deuxième étape a amené à construire des algorithmes de commande et gestion d'énergie. Deux méthodes ont été employées. La première se fonde sur la représentation énergétique macroscopique REM. Elle a permis de mettre en exergue les degrés de liberté explicites et implicites des deux structures. L'identification des chaînes de réglage agissant sur les objectifs et contraintes des 2 systèmes a facilité la mise au point de structures de commande basées sur les règles d'inversion de la REM. De même, la commande passive a été envisagée pour les garanties de stabilité qu'elle apporte intrinsèquement. Au travers d’un algorithme différent, la même souplesse de réglage a pu être assurée. En plus, une stratégie de gestion de saturations et limites du système a été mise en place, visant à piloter les fonctionnements extrêmes. Une part importante du travail a été consacrée à la réalisation d'un banc d'essai expérimental reconstituant l'électro-générateur hybride à pile à combustible. L'exploitation de ce moyen d'essai a permis de tester les différentes architectures du système, mais aussi de valider le modèle et lois de commande et gestion d'énergie du système développés au cours de la thèse.

This thesis constitutes a contribution by a systemic approach to find ways of fuel cell systems integration to form simple, effective and reliable electro generators. Indeed, the study proposes a development methodology of control and on-line energy management of hybrid systems having a fuel cell as main source and as element of storage of supercondensers. The first phase of the study tried to represent and to characterize the electric behaviour, at once static and dynamic of the fuel cell generator under variable and varied requests. This allowed to justify the use of an assistance to palliate the fuel cell generator limits. The introduction of an intermediate storage organ can be so realized by a significant number of different architectures, the analysis of their electric behaviour led to the choice of the study structures. By leaning on this choice, the second stage brought to build command algorithms and energy management. Two methods were used. The first one founded on the macroscopic energy representation REM. She allowed to highlight the explicit and implicit freedom degrees of both structures. The regulation chains identification acting on the objectives and the constraints of 2 systems facilitated the development of command structures based on the inversion rules REM. Also passivity based control was envisaged for the stability guarantees which it brings intrinsically. Through a different algorithm, the same flexibility of regulation was able to be assured. Besides, a management strategy of saturations and limits of the system was set up, to pilot the extreme functionings. An important part of the work has consisted in setting up a test bench - representative of considered hybrid fuel cell system. Thanks to this experimental means, allowed to test the various architectures of the system, but also fuel cell model and control laws developed during the thesis have been validated.