Fonctionnement tolérant aux pannes des architectures électroniques de puissance pour les systèmes hybrides de piles à combustible : détection des défauts et actions correctives.

Fault tolerant operation of power electronic architectures for hybrid Fuel Cell Systems: fault detection and remedial actions.

• Auteur / Autrice : Merlin Limon
• Direction : Philippe Poure
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : IAEM - INFORMATIQUE - AUTOMATIQUE - ELECTRONIQUE - ELECTROTECHNIQUE - MATHEMATIQUES
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Mots clés libres

Diagnostic de defauts

Convertisseur de puissance

Systèmes Piles à combustible

Multi-stack

Fault-diagnosis

Power converter

Fuel cells systems

Multi-stack

Résumé

Ce doctorat fait partie d'un projet intitulé HYSySPEM (Optimisation of HYbrid energy SyStem with multi-stack PEM fuel cells for heavy duty transportation applications), sélectionné et financé en 2022 par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) - appel à projets 'Programme France 2030 - Recherche et Développement'. 2022 par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) - appel à projets 'Programme France 2030 - PEPR Hydrogène décarboné' (https://anr.fr/fileadmin/aap/2021/selection/ia-PEPR-H2-AAP-2021- liste-projets.pdf ). Le projet HYSySPEM vise à améliorer les systèmes hybrides de piles à combustible PEM pour les applications lourdes de forte puissance (camion, train, avion et bateau) avec une approche systémique. L'optimisation des architectures électriques et fluidiques dans une approche modulaire multi-stack sera réalisée à plusieurs échelles (système de pile à combustible et système hybride) et sur des composants clés (compresseurs, architectures de convertisseurs de puissance). Les améliorations du contrôle local et de la gestion de l'énergie et de la puissance au niveau de l'hybridation seront couplées à une approche de contrôle tolérant aux fautes pour les convertisseurs de puissance et l'hybridation afin d'assurer un très haut niveau de disponibilité. Le projet HYSySPEM permettra une forte dissémination scientifique grâce à un travail collaboratif renforcé entre sept partenaires du consortium (CEA LITEN, IFPEN, IJL, FEMTO-ST, LEMTA, AMPERE, IREENA), à travers la co-supervision de 8 thèses de doctorat. Le projet HYSySPEM propose de développer et de valider de nouvelles architectures (électriques et fluidiques) et de nouveaux contrôles pour le développement de systèmes hybrides de piles à combustible (FCS) adaptés aux véhicules lourds (HDV). En particulier, l'accent sera mis sur i/ l'efficacité du système de pile à combustible en optimisant les composants clés (compresseur, électronique de puissance) ; ii/ la durée de vie de la pile à combustible en optimisant les conditions de fonctionnement dynamiques et la gestion de la puissance et de l'énergie ; iii/ la durée de vie de la pile à combustible et de son système en mettant en œuvre un fonctionnement tolérant aux pannes ; iv/ l'augmentation de la puissance électrique avec une approche multi-empilement. Plus particulièrement, la thèse proposée se concentrera sur les architectures électroniques de puissance pour les systèmes hybrides de piles à combustible, afin de contribuer à l'action prioritaire #4 - Diagnostic des défauts et contrôle tolérant aux défauts du projet HYSySPEM, décrite ci-après. En fonction de l'application HDV et de l'unité de puissance requise, les architectures électroniques de puissance seront différentes et des FCS à un ou plusieurs étages pourront être utilisés. Pour chaque cas, une surveillance avancée et globale de l'état de santé associée à un contrôle tolérant aux pannes sera effectuée afin d'adopter une reconfiguration globale du système. Ainsi, en cas de défaillance, un fonctionnement tolérant aux pannes peut être effectué, en mode dégradé ou non, en ce qui concerne les performances clés requises. Cet objectif de l'action prioritaire n°4 repose principalement sur : - Une analyse de fiabilité comparant les architectures électroniques de puissance pour les FCS mono/multi-stack. - Proposer des algorithmes de surveillance des défaillances (diagnostic et identification d'une défaillance) pour les composants passifs ou actifs de l'architecture électronique de puissance pour les architectures mono ou multi-stack. Les algorithmes d'intelligence artificielle (IA) pour la surveillance de l'état de santé seront également pris en compte et leurs performances seront comparées à celles des approches basées sur des modèles. - Étude d'actions correctives avancées, y compris des approches de contrôle tolérant aux pannes basées sur la reconfiguration du FCS multi-stack exécutant un mode de fonctionnement post-fonctionnement.

This PhD is part of a project entitled HYSySPEM (Optimization of HYbrid energy SyStem with multi-stack PEM fuel cells for heavy duty transportation applications), selected and funded in 2022 by the French National Research Agency (ANR) - call for projects “Programme France 2030 - PEPR Hydrogène décarboné” (https://anr.fr/fileadmin/aap/2021/selection/ia-PEPR-H2-AAP-2021-liste-projets.pdf ). The HYSySPEM project aims to improve hybrid PEM fuel cell systems for high-power heavy-duty applications (truck, train, aircraft and ship) with a systemic approach. The optimization of electrical and fluidic architectures in a modular multi-stack approach will be carried out at several scales (fuel cell system and hybrid system) and on key components (compressor, power converter architectures). Improvements in local control and energy / power management at hybridization will be coupled with a fault-tolerant control approach for power converters and hybridization to ensure a very high level of availability. The HYSySPEM project will allow a strong scientific dissemination with a reinforced collaborative work between seven consortium partners (CEA LITEN, IFPEN, IJL, FEMTO-ST, LEMTA, AMPERE, IREENA), through the co-supervision of 8 Ph.D. thesis. The HYSySPEM project proposes to develop and validate new architectures (electrical and fluidic) and control for the development of hybrid Fuel Cell Systems (FCS) tailored for for Heavy-Duty Vehicles (HDV). In particular, a focus will be given to i/ the fuel cell system efficiency by optimizing key components (compressor, power electronics); ii/ the fuel cell lifetime by optimizing dynamic operating conditions and the power and energy management; iii/ the fuel cell and its system lifetime by implementing fault tolerant operation; iv/ the increase of electrical power with a multi stack approach. More particularly, the proposed PhD will focus on the power electronic architectures for hybrid Fuel Cell Systems, to contribute to the Priority action #4 – Fault diagnosis and fault-tolerant control of the HYSySPEM project, depicted hereafter. Depending on the HDV application and the power unit needed, the power electronic architectures will be different and single/multi-stacks FCS could be used. For each case, an advanced and global health monitoring associated to a fault tolerant control will be done in order to adopt a global reconfiguration of the system. Thus, in the event of a fault case, fault tolerant operation can be performed, in degraded mode or not, regarding the required key performances. This objective Priority action #4 mainly relays on: • A reliability analysis comparing power electronic architectures for single/multi-stacks FCS. • Propose fault monitoring algorithms (diagnosis and identification of a fault) for passive or active components of the power electronic architecture for single or multi-stack architectures. Artificial Intelligence (AI) algorithms for health monitoring will be also considered and performances compared with model-based approaches. • Study of advanced remedial actions, including fault tolerant control approaches based on the reconfiguration of the multi-stack FCS performing a post-fault operation mode