Gestion d'énergie des systèmes multi-piles à combustible basée sur les pronostics de durées de vie restantes pour une application au transport automobile

Remaining useful life prognostic-based energy management for multi-fuel cell stacks systems in automotive applications

• Auteur / Autrice : Wabi Réné Bankati
• Direction : Samir Jemeï, Loïc Boulon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 30/04/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université du Québec à Trois-Rivières
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Maude Josée Blondin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maude Josée Blondin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Cadet, Hamid Gualous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules à hydrogène

Durée de vie (ingénierie)

Piles à combustible

Mots clés libres

Système multi-piles à combustible

Pronostic

Durée de vie restante

Gestion d'énergie

Véhicule à hydrogène

Multi-fuel cell stacks system

Prognostic

Remaining useful life

Energy management

Fuel cell hybrid electric vehicle

Résumé

Les effets du réchauffement climatique tels que l’augmentation de la température moyenne à la surface de la terre, l’éloignement progressif des extrêmes climatiques, l’élévation du niveau moyen des mers et océans, etc., ne sont que les conséquences de l’accumulation des gaz à effet de serre (GES) d’origine humaine dans l’atmosphère. À l’échelle mondiale, certains secteurs d’activités économiques contribuent à ce fléau de manière plus importante que d’autres. C’est notamment le cas du secteur des transports qui est responsable à lui tout seul de 25% des émissions mondiales de GES, d’après le rapport publié en 2020 par l’AIE. Avec ce pourcentage, le transport représente le second secteur économique le plus polluant après la production de l’énergie électrique. Une étude statistique plus poussée a révélé que le transport routier serait le mode de transport qui émet le plus de GES dans ce secteur. En France et au Canada par exemple, 94% et 70% des émissions provenant des transports sont respectivement attribuées au trafic routier d’après le rapport publié en 2020 par « l’INSEE, France » et d’après le rapport d’inventaire national 1990-2019 d’ « Environnement et changement climatique, Canada ».Pour réduire l’empreinte carbone du transport routier, l’utilisation des véhicules à hydrogène semble être une idée très captivante et complémentaire des véhicules électriques. Cependant, certains verrous technologiques tels que la courte durée de vie des piles à combustible (PAC), principale source de puissance des véhicules à hydrogène, s’ajoutent au problème de faible niveau de développement du réseau de distribution de l’hydrogène qui freine la commercialisation des véhicules à hydrogène.Le concept de système de puissance modulaire appliqué aux PAC et qui a été introduit dans la littérature il y’a de cela dix ans, se révèle être particulièrement intéressant à étudier pour améliorer non seulement le critère de durabilité, mais aussi ceux de la tolérance aux pannes et du rendement énergétique des systèmes PAC. L’idée globale autour de ce concept consiste à associer plusieurs petits modules de PAC (la PAC et ses auxiliaires ) de puissances modérées au lieu d’utiliser un seul et unique gros module de PAC de très forte puissance. Le cas échéant, un système multi-PAC est obtenu et le défis principal ainsi mis en jeu est celui de la gestion d’énergie. En effet, la gestion d’énergie est un élément essentiel dont dépendent toutes les performances qu’un système multi-PAC peut offrir.De grandes avancées ont été réalisées au cours de cette dernière décennie dans certains domaines de recherche tels que celui du PHM « prognostic and Health Management » pour permettre aux SGE de systèmes multi-PAC de prendre les décisions de gestion d’énergie convenables quant à la durabilité de ces systèmes. Cependant, à ce jour, très peu de SGE basées sur le pronostic apparaissent dans la littérature. Pour cela, une SGE basée sur les pronostics de durées de vie restantes (RUL - « Remaining Useful Life ») des PAC est proposée dans cette thèse pour les systèmes multi-PAC, dans le cadre d’une application automobile.La SGE proposée a été validée sur la base de simulations numériques réalisées dans l’environnement Matlab/ Simulink, sur un système multi-PAC composé de quatre PAC de 500 W en utilisant le cycle de classe 3 de la procédure d’essai mondiale harmonisée pour les véhicules légers (WLTP). Une étude comparative des performances du système multi-PAC sous la SGE proposée et sous les SGE conventionnelles a montré que la SGE proposée est capable de faire atteindre au système multi-PAC une durée de vie qui est plus de 2,35 fois supérieure à celle qu’il aurait sous les SGE conventionnelles. Tout ceci en maintenant la consommation d’H_2 du système à un niveau très raisonnable par rapport à la quantité d’H_2 consommée sous les SGE conventionnelles.

The global warming’s effects, such as the increase in the earth’s surface average temperature, the progressive remoteness of climatic extremes, the increase in the average water level of seas and oceans, etc., are only the consequences of the human-induced accumulation of greenhouse gasses (GHGs) in the atmosphere. At the global level, some economic sectors contribute more to this phenomenon than others. This is particularly true for the transport sector, which is responsible for 25% of global GHG emissions, according to the IEA 2020 report. This percentage makes the transport sector the most polluting economic sector after electric generation. A more detailed statistical analysis of transportation emissions shows that road transport is the most GHG-emitting transportation mode. According to the report published in 2020 by « INSEE, France » and the national inventory report 1990-2019 of « Environment and Climate Change, Canada », 94% and 70% of transportation emissions are respectively attributed to road traffic in France and in Canada.To reduce the carbon footprint of road transport, using hydrogen-powered vehicles, also known as fuel cell hybrid electric vehicles (FCHEV) seems to be a very attractive idea and a complement to electric vehicles. However, besides the lack of hydrogen refueling infrastructures, there are some technological barriers such as the short lifetime of fuel cells, the main power source of FCHEV, that slow down the commercialization of these vehicles.The concept of modular power system for fuel cells, which was introduced in the literature ten years ago, is particularly interesting because it can improve the lifetime, fault tolerance, and energy efficiency of fuel cell systems. The basic idea of this concept is to combine several low power fuel cell modules (short stack + auxiliary units) instead of using a single high power fuel cell module. In this case, a multi-fuel cell stack (MFCS) system is obtained and the main challenge to overcome is the development of an appropriate energy management strategy (EMS). In fact, energy management is an essential element on which all the performances that an MFCS system can offer depend.Some great achievements have been made over the past decade in certain research areas, such as PHM « prognostic and health management », to enable EMS for MFCS systems to make appropriate energy management decisions regarding the lifetime of these systems. However, to date, very few prognostic-based EMS are developed in the literature. To this end, a remaining useful life (RUL) prediction-based EMS is proposed in this thesis for MFCS systems in the context of an automotive application.The proposed EMS was validated by simulations in Matlab/Simulink environment on an MFCS system consisting of four 500-W using the class 3 of the Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP). A comparative study of the MFCS system performance under the proposed EMS and the conventional EMS showed that the proposed EMS can achieve a lifetime for the MFCS system that is more than 2.35 times greater than the one that could be reached under conventional EMS. All this while keeping its hydrogen consumption at a very reasonable level compared to the amount of hydrogen consumed with the conventional EMS.