Contrôle et diagnostic sans modèle a priori, application au système pile à combustible PEMFC

Model free control and diagnosis, application to PEMFC fuel cell system

• Auteur / Autrice : Meziane Ait Ziane
• Direction : Cédric Damour, Nadia Yousfi Steiner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’énergétique, d’électronique et procédés (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Turpin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Join, Rachid Outbib, Marie-Cécile Péra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Belkacem Ould Bouamama, Loïc Boulon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détection de défaut (ingénierie)

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Fiabilité

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Commande tolérante aux fautes

Diagnostic PEMFC

Commande sans modèle a priori

PEMFC

Diagnostic sans modèle a priori

Gestion d'eau de la PEMFC

Active fault-Tolerant control

PEMFC diagnosis

Model free controller

PEMFC

Model free fault detection

Water management PEMFC

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur le contrôle et le diagnostic des systèmes de piles à combustible afin de contribuer à l’augmentation de sa fiabilité. Le contrôle des paramètres de la pile à combustible est considéré comme un élément crucial permettant de garantir un fonctionnement approprié. La commande sans modèle a priori est retenue pour le contrôle de différents paramètres de la pile à combustible. Dans un premier temps, le contrôle de la stœchiométrie de l’air et de la différence de pression d’entrée entre les électrodes est réalisé en simulation. Dans un second temps, une étape de validation sur deux technologies de piles à combustible différentes est réalisée pour le contrôle de la différence de pressions d’entrée entre l’anode et la cathode et de la température. La commande sans modèle a priori a montré une excellente capacité à rejeter les perturbations et à tolérer un défaut impactant l’actionneur de contre-pression. Une méthode de diagnostic dérivée de la commande sans modèle a priori est présentée dans ce manuscrit. Cette méthode est basée sur la reconstruction de la sortie mesurée à partir du modèle ultra-local utilisé pour la commande des systèmes. La détection des défauts et des perturbations qui peuvent affecter le système est assurée grâce à un résidu. Ce résidu est généré en comparant la sortie mesurée du système et celle estimée par le modèle ultra-local. Tout d’abord, la méthode proposée est évaluée en simulation sur des systèmes linéaires et non linéaires afin de détecter les défauts : actionneur, capteur et système. Cette étape est considérée comme une illustration détaillée de la méthode proposée. Ensuite, une étape de validation est effectuée sur deux différents types de piles à combustible afin de détecter un défaut d’actionneur qui affecte la vanne de contrepression, défaut de capteur de température et les défauts liés à la mauvaise gestion d’eau dans les cellules.

The present thesis focuses on the control and diagnosis of the fuel cell system in order to increase its reliability. The control of the fuel cell parameters is an important element to ensure its proper operation. Firstly, model-free control is used to control the air stoichiometry and the inlet pressure difference between the electrodes in simulation. Secondly, a validation step on two different fuel cell technologies is performed for the control of the inlet pressure difference and the temperature. The model-free controller has shown an excellent ability to reject disturbances and even to tolerate a fault impacting the back pressure actuator. A diagnostic method derived from model-free controller is presented in this manuscript. This method is based on the reconstruction of the measured output from the ultra-local model used for controlling the systems. The detection of actuator, sensor and even disturbance faults is achieved through a residual that is generated by comparing the measured and estimated output. First, the proposed method is tested in simulation on linear and nonlinear systems to detect actuator, sensor and system faults. Then, a validation step is performedon two different types of fuel cells to detect an actuator fault that affects the back pressure valve, a flooding fault and a temperature sensor fault that leads to either membrane dryout or flooding.