Optimisation d'une électronique modulaire et de sa gestion d'énergie afin d'accroître la durée de vie et la disponibilité de PàC multi-stacks.

Optimization of modular power electronics converter and energy management to increase the lifespan and availability of multi-stacks Fuel Cell systems.

• Auteur / Autrice : Ines Siad
• Direction : Serge Pierfederici, Sophie Didierjean
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Vecteurs Énergétiques

Mots clés

Mots clés libres

Pile à combustible

Multi-stacks

Électronique de puissance

Gestion de l'énergie électrique

Stabilité

Fuel Cell systems

Multi-stack

Power electronics

Electrical energy management

Stability

Résumé

Aujourd'hui, la prise de conscience par les pouvoirs publics et la société en règle générale de l'empreinte écologique et de l'impact sanitaire des systèmes de transport existants nécessite une évolution significative de l'offre des mobilités. Ce sujet de thèse s'inscrit dans les objectifs du plan gouvernemental 2020 de déploiement de l'hydrogène pour la transition énergétique qui vise à favoriser le développement de la mobilité électrique à hydrogène, notamment pour les véhicules lourds (long-courriers, bus, trains, avions, navires, etc…). Cette thèse propose d'explorer de nouvelles configurations d'électronique de puissance et de contrôle visant à augmenter la durée de vie et la disponibilité d'un système PàC en configuration multi-stack pour applications transports lourds. Un des objectifs de ces travaux de Recherche consistera en l'élaboration d'une topologie de puissance innovante permettant un assemblage de stacks par une approche modulaire. Le choix de la meilleure architecture se basera sur des critères tels que le rendement, la disponibilité ou la densité de puissance de l'architecture globale ainsi que sur sa capacité à opérer en conditions dégradées. Il prendra en compte également l'environnement de la topologie de puissance, à savoir la charge (consommation véhicule) et/ou le vieillissement de la PàC. Un second objectif consistera en l'exploration de stratégies de contrôle pour la gestion d'énergie du système hybridé, c'est-à-dire le contrôle de l'organe de stockage (batterie) en fonction de son état de charge et le contrôle de la puissance de chaque stack individuel en fonction de la demande en puissance de la charge et/ou des contraintes physiques liées au convertisseur (puissance maximum, limitation en courant et tension des convertisseurs, etc…). Enfin, le développement d'une maquette expérimentale à échelle réduite permettra de valider les concepts élaborés, notamment l'architecture de puissance modulaire multi-stacks, ainsi que sa gestion d'énergie.

Today, the awareness by the public authorities of the ecological footprint and the health impact of existing transport systems requires a significant change in the mobility offer. This thesis subject is part of the objectives of the 2020 French government plan for the deployment of hydrogen for the energy transition, which aims to promote the development of hydrogen-powered electric mobility, in particular for heavy duty applications (trucks, buses, trains, planes, ships, etc.). This thesis proposes to explore new configurations of power and control electronics aimed at increasing the lifespan and availability of a FC system in multi-stack configuration for heavy duty applications. One of the objectives of this research work will consist in the development of an innovative power topology allowing stacks to be assembled using a modular approach. The choice of the best architecture will be based on criteria such as the efficiency, availability or power density of the overall architecture as well as its ability to operate in degraded modes. It will also take into account the environment of the power topology, namely the load (vehicle consumption) and/or the aging of the fuel cell. A second objective will consist in the exploration of control strategies for the energy management of the hybridized system. For instance, the control of the storage device (battery) according to its state of charge and the control of the power of each individual stack. These strategies will be elaborated taking into account the power demand of the load and/or the physical constraints of the converter (maximum power, current and voltage limitation of the transistors, etc.). Finally, the development of a reduced-scale experimental proof of concept will make it possible to validate the theoretical developement, in particular the multi-stack modular power architecture, as well as its energy management.