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N° d'ordre : 2097 Année 2004 Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche du CNRS n°5828 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Rémi SAISSET Agrégé de Génie Electrique de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan DEA Génie Electrique Soutenue le 2 Avril 2004 devant le jury composé de M. Yves BRUNET Président M. Maurice COMTAT Rapporteur M. Jean Marie KAUFFMANN Rapporteur M. Bernard DAVAT Rapporteur M. Stéphan ASTIER Examinateur, Encadrant M. Christophe TURPIN Examinateur, Encadrant M. Michel PLANTEVIN Invité, Société Hélion Contribution à l'étude systémique de dispositifs énergétiques à composants électrochimiques. Formalisme Bond Graph appliqué aux piles à combustible, accumulateurs Lithium-Ion, Véhicule Solaire

  • storage electrochemical

  • agrégé de génie electrique de l'ecole normale

  • jury

  • allocation du ministère de l'education nationale, de la recherche et de la technologie

  • parallèle de piles

  • génie electrique

  • bond graph ·


Publié le : mercredi 30 mai 2012
Lecture(s) : 57
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 310
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N° d’ordre : 2097 Année 2004

THÈSE


présentée
pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique


par


Rémi SAISSET

Agrégé de Génie Electrique de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan
DEA Génie Electrique






Contribution à l’étude systémique de dispositifs

énergétiques à composants électrochimiques.


Formalisme Bond Graph appliqué aux piles à combustible,

accumulateurs Lithium-Ion, Véhicule Solaire


Soutenue le 2 Avril 2004 devant le jury composé de

M. Yves BRUNET Président
M. Maurice COMTAT Rapporteur
M. Jean Marie KAUFFMANN
M. Bernard DAVAT Rapporteur
M. Stéphan ASTIER Examinateur, Encadrant
M. Christophe TURPIN Examinateur, Encadrant
M. Michel PLANTEVIN Invité, Société Hélion


Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de
l’ENSEEIHT
Unité Mixte de Recherche du CNRS n°5828
RESUME
Cette thèse constitue une contribution à l'étude des systèmes de conversion d'énergie
électrique avec composants électrochimiques. La démarche retenue, systémique, exploite le
caractère unifiant du formalisme Bond Graph pour modéliser tous les composants et les
systèmes étudiés. Un état de l'art des composants électrochimiques de stockage et de
production décentralisée d'énergie électrique met en exergue des phénomènes communs en
vue d'une « modélisation générique orientée système ». Les modèles de piles à combustible
(PAC) à oxyde solide (SO) ou à membrane polymère échangeuse de protons (PEM) et
d'accumulateurs Lithium-Ion, spécifiquement développés en collaboration avec des
spécialistes de l'électrochimie, représentent explicitement au niveau macroscopique les
phénomènes de conversion, réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique,
thermodynamique, électrique et thermique. Ces modèles sont exploités pour étudier la
modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les
associations série ou parallèle de piles à combustible. La démarche est ensuite appliquée à
l'étude des architectures et de la gestion d'énergie de groupes électrogènes à PAC-PEM et à
stockage en accumulateurs ou en supercondensateurs. Les notions de pilotage de la PAC « en
tension », « en courant » ou « au fil de la consommation » sont définies et étudiées. Des essais
de caractérisation et de fonctionnement menés sur des dispositifs expérimentaux spécialement
réalisés valident les résultats théoriques. Pour finir, une étude originale de gestion d'énergie
globale, menée sur le véhicule solaire « Solelhada », illustre la pertinence de la démarche sur
un système complexe, photovoltaïque, autonome et mobile, modélisé dans son ensemble.

Mots Clés

• Modélisation • Pile à combustible
• Systémique • Accumulateur Lithium-Ion
• Bond Graph • Groupe électrogène
• Stockage électrochimique • Générateur photovoltaïque


ABSTRACT

This thesis is a contribution to the study of electric power conversion systems including
electrochemical devices. A systemic approach draws advantage of the unified Bond Graph
formalism in order to model every component as well as the whole system. A state of the art
of electrochemical devices for decentralised electric energy generation and storage put
emphasis on common phenomena with the aim of developing “system oriented” generic
models. Solid Oxyde and Proton Exchange Fuel Cells (SOFC, PEMFC), as well as Lithium
3Ion batteries, have been modelled through an efficient work with electrochemistry specialists.
These models involve an explicit representation, at a macroscopic level, of conversion and
irreversible phenomena linked to the chemical reaction and coupled together both in the
hydraulic, chemical, thermodynamic, electric and thermal fields. These models are used to
study the modularity of the components, particularly the electric and thermal imbalances in
the series and parallel fuel cells associations. The systemic approach is also applied to the
study of architectures and energy management of electric power generating units involving
PEMFC and battery or supercapacitors storage. Different working conditions for the fuel cells
are defined and studied, consisting in either voltage or current or power imposed by means of
the storage and static converters environment. Identification of parameters and working tests
are performed on specially developed test benches so as to validate theoretical results. At last,
the method is applied to study a "sunracer", an original complex system with embedded
photovoltaic generator, electrochemical storage and brushless wheel motor, wholly modelled
in order to compare various energy management onboard the solar vehicle “Solelhada”.


Keywords

• Modelling • Fuel cell
• Systemic • Lithium Ion accumulator
• Bond Graph • Electricity Generating Unit
• Storage electrochemical component • Photovoltaic generator


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AVANT-PROPOS
Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été conduits au Laboratoire
d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle au sein du groupe « Système ». Ces travaux
ont été financés par une allocation du Ministère de l’Education Nationale, de la Recherche et
de la Technologie.

Je tiens, tout d’abord à remercier M. Yvon CHERON, directeur du LEEI, de m’avoir accueilli
dans son laboratoire, et M. Xavier ROBOAM de m’avoir accepté dans son équipe de travail.

J’adresse mes chaleureux remerciements aux membres du jury de thèse :

à M. Yves BRUNET, directeur du Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble, pour m’avoir
fait l’honneur d’accepter de présider le jury.

à M. Maurice COMTAT, Professeur au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (LGC), à
M. Bernard DAVAT, Professeur et Directeur de l’ENSEM de Nancy, ainsi qu’à M.
JeanMarie KAUFFMANN, Professeur et Directeur au L2ES à Belfort, pour avoir accepté d’être
les rapporteurs du mémoire, pour l’intérêt qu’ils y ont porté, et pour les différentes remarques
constructives dont ils ont fait preuve dans leur rapport.

à M. Michel PLANTEVIN, Ingénieur de l’entreprise Hélion à Aix en Provence, pour avoir
aimablement accepté de prendre part au jury en tant qu’invité, et d’avoir apporté une vision
industrielle sur mes travaux.

à M. Stefan ASTIER, Maître de Conférences, Habilité à Diriger des Recherches au LEEI,
pour m’avoir proposé un sujet de recherche passionnant, pour avoir su me guider dans mon
travail, et pour m’avoir soutenu dans mes différentes initiatives. Je le remercie également pour
son extrême gentillesse ainsi que pour sa bonne humeur communicative. De même, les
différentes aventures solaires que nous avons partagées resteront longtemps dans ma
mémoire.

à M. Christophe TURPIN, Chargé de Recherche au CNRS, qui a co-encadré ces travaux et
auxquels il a apporté toute sa rigueur et son œil critique. Je tiens à le remercier tout
particulièrement pour le temps, la passion et l’enthousiasme dont il a fait preuve lors de la
relecture de ce mémoire. Sa passion de la recherche et son dynamisme m’ont été d’une aide
précieuse lors de ces trois ans de travaux. Je tiens ici à lui témoigner toute mon estime et ma
5reconnaissance.

Mes remerciements vont également à M. Bernard LAFAGE, Maître de Conférences au LGC,
pour son aide efficace dans les domaines de l’électrochimie et de la thermodynamique, ainsi
que pour le temps passé sur les diverses expérimentations.

Je pense également à tout le personnel du LEEI, les enseignants, les chercheurs, le personnel
administratif, les thésards, les stagiaires et plus particulièrement :

à Mesdames BODDEN, CHARRON, ESCAIG, PIONNIER et MEBREK pour leur travail
indispensable au fonctionnement du LEEI.

à Jean-Baptiste DALZOVO dit « JB » pour son aide précieuse et la bonne humeur qu’il
véhicule dans les couloirs du LEEI.

à messieurs Jean-Marc BLAQUIERE et Didier GINIBRIERE (ailier international de rugby)
qui m’ont été d’un grand secours pour la conception et la réalisation de mes montages
expérimentaux.

à toute l’équipe de l’aventure SOLELHADA avec qui j’ai écumé les routes de France, de
Navarre et des antipodes, et particulièrement à M. Michel LAJOIE-MAZENC pour m’avoir
protégé tout au long de ces périples.

à l’ensemble des thésards et plus particulièrement à Guillaume FONTES pour son aide dans
l’étude de la Pile à Combustible, Didier FLUMIAN pour ses conseils expérimentaux et son
franc-parler, aux anciens, Laurent PEYRAS (dit Pinpin), Jérôme FADAT, Patrice
LORENDAUX, Dominique ESCANDE, Jérôme VALLON, aux nouveaux, Jérôme DUVAL,
Christophe VIGUIER (Monsieur pétanque), Sylvain CANAT, et à ceux de ma génération
Lauric GARBUIO dont la gentillesse est toujours d’un grand réconfort, aux membres de mon
bureau Jérôme LACHAIZE et Laurent GASC (toujours chaud-bouillant de Bayonne à
Toulouse) que je remercie de leur patience, et bien sûr à mon collègue et complice Nicolas
ROUX pour son aide aussi bien en recherche qu’en enseignement (et non, on n’était pas
pacsé !).

ère ème èmeà mes étudiants de 1 , 2 et 3 année à l’ENSEEIHT pour les excellents moments passés
en salle de TP et ailleurs.

Je tiens aussi à remercier tous les amis qui m’ont soutenu durant ces travaux (dans les bons et
mauvais moments), notamment les grenoblois Fabien AESCHLIMANN (oufffff écrit sans
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faute), Juliette JOUHET (sa future femme à qui je souhaite plein de bonheur) et bien sûr
Nicolas LAVERDURE (pour ces merveilleuses années de collocation, son soutien et les
voyages formidables), les parisiens Laurent CABARET et sa famille et le niçois Sébastien
WYBO (mon cher binôme, toujours à la bourre), aux toulousains Christelle MICHEL, Lise
BAIGET, Stéphane NARBONNET, Laurent BERTRANDIAS, Frédéric MELEUX,
Christophe BLANQUEVAIN que j’ai rencontrés grâce à notre maître à tous Hervé
RAYNAUD et bien sûr Nicolas ROUX avec qui nos soirées épicuriennes ont toujours été
merveilleuses et enrichissantes et enfin à tous les amis que j’ai rencontrés en 3 ans Anne LE
DEUN, Christophe LUC, Stéphanie COLNET, Adil MISSOUM, Jean François BIZET, Jean
François YVART, Pauline BRANDAO, Christophe ANGLADE, Christine BRIOTET, Cyril
PIENNE, Marina PECH, Laurence GARNIER et tous les autres qui m’ont beaucoup apporté
par leur soutien et nos longues discussions orales ou écrites.

Je souhaite également remercier tous les enseignants qui m’ont formé et donné la vocation de
mon futur métier de professeur, à l’ENSEEIHT, à l’ENS de Cachan, en classe préparatoire au
Lycée Pierre de Fermat de Toulouse, au lycée Antoine Bourdelle, au collège Olympe de
Gouges et à l’école Jules Guesde de Montauban.

Je finirai ces longs remerciements (proportionnels à la thèse) par mes parents, mes
grandsparents, mon frère et toute ma famille qui m’ont toujours soutenu et encouragé dans mes
études, et à qui je dois tout. Et enfin, un énorme merci à ma compagne qui m’apporte tant !

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à mes parents


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