Tolérance aux défauts et optimisation des convertisseurs DC/DC pour véhicules électriques à pile à combustible

Fault tolerance and optimization of DC/DC converters for fuel cell electric vehicles

• Auteur / Autrice : Damien Guilbert
• Direction : Abdesslem Djerdir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 01/12/2014
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRTES. SET - Laboratoire Systèmes et Transports / IRTES - SET
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Benbouzid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Benbouzid, Hamid Gualous, Gianpaolo Vitale, Omar Bouhali, Arnaud Gaillard, Abdoul N'Diaye, Pascal Venet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamid Gualous, Gianpaolo Vitale

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Véhicule électrique

Convertisseur DC/DC

Tolérance aux défauts

Détection de défauts

Contrôle tolérent aux défauts

Optimisation

Electric Vehicle

DC/DC converter

Fault tolerance

Fault detection

Fault tolerant control

Optimization

Résumé

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail.

Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.