Conception de convertisseurs statiques pour l'utilisation de la pile à combustible

Design of high efficiency converter for fuel cell applications

• Auteur / Autrice : Guillaume Lefevre
• Direction : Jean-Paul Ferrieux, Philippe Boggetto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble ; 1980-2006)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Axane - Air liquide
• Jury : Président / Présidente : Robert Perret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Charlat, Jean-Marie Barbaroux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Berthon, Thierry Meynard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Optimisation

Convertisseurs statiques

Pile à combustible

Modélisation analytique

Thermique

Composants magnétiques

Static converters

Fuel cell

Analytical models

Thermal issues

Magnetic components

Optimization

Résumé

Les travaux présentés tout au long de ce mémoire ont pour objectif la conception d'un convertisseur destiné à produire, à partir d'une PAC de 2,5 kW, un réseau autonome 230V-50Hz. Ces recherches ont été menées en partenariat avec la société Axane (Air Liquide). L'accent a été plus particulièrement mis sur l'étage DC-DC afin de répondre au mieux aux contraintes spécifiques de la PAC, le rendement et la compacité étant les deux principaux critères à améliorer. Sur la base d'une structure de conversion adaptée aux entrées basse tension, nous avons voulu aborder les principaux aspects qui contraignent le concepteur : les semiconducteurs, les composants magnétiques ainsi que les problèmes thermiques. Ces divers points, modélisés à des degrés variables de finesse, nous permettront d'estimer le rendement, de cerner les points à améliorer mais aussi de tenter une optimisation plus globale en prenant en compte un maximum de variables. L'effort a plus particulièrement porté sur les composants magnétiques qui représentent un point d'achoppement à fort courant, ce qui nous a conduit à établir un processus de dimensionnement optimisé pour les inductances. La mise en œuvre pratique de ce convertisseur fait l'objet de la dernière partie de ce mémoire. Nous proposons à cette occasion une variante originale à commutation douce qui ouvre des perspectives d'amélioration du rendement.

The aim of the work presented in this PhD thesis is the design of a static converter intended for producing an autonomous 230V-50Hz from a 2,5 kW Fuel Cell. The research has been led in collaboration with Axane (Air Liquide). The work mainly focused on the DC-DC stage for a better compliance to the Fuel Cell specific constraints, efficiency and compacity being the two main criteria to improve. On a basis of a conversion structure adapted to low voltage inputs, we wanted to tackle the main aspects which constraint the designer: semiconductors, magnetic components as well as thermal issues. These various points, modelled with different level of accuracy, will allow us to obtain an estimation of the efficiency, to figure out the points to improve, and also to try a global optimization taking into account a maximum of parameters. The effort focused on magnetic components, which are a stumbling point at high current levels, which led us to establish an optimized sizing procedure for the inductances. The measurements on the converter are the last part of this PhD. On this occasion, we propose an original variant with soft switching which opens prospects for improving efficiency.