Systèmes pile à combustible et convertisseur de puissance : modélisation et conception., Fuel cell and power converter systems : model and design

Benoît Bidoggia

Description

Sous la direction de Laurent Ventura, Simone Buso
Thèse soutenue le 02 décembre 2009: Università degli Studi di Padova (Italie), Tours
Les piles à combustible sont des dispositifs qui permettent de transformer directement l’énergie chimique potentielle d’un carburant en énergie électrique. Elle sont presque toujours couplées à un convertisseur de puissance et l’ensemble est ici appellé « système à pile à combustible ». Le comportement de ces systèmes, les interactions entre ses composants, ainsi que leurs réponses aux stimulations extérieures ont été analysés, étudiés et mesurés. A cet effet, un système à pile à combustible complet a été modélisé. Des critères de dimensionnement pour cas où ni la pile à combustible ni le convertisseur de puissance sont à priori connus ont été identifiés et un prototype a été dimensionné et réalisé. D’autres aspects corrélatifs intéressants ont également été développés et étudiés, comme le fonctionnement du convertisseur à la limite entre les modes de conduction continu et discontinu, ainsi que son contrôle à fréquence de commutation variable. Des résultats expérimentaux et de simulation pour le système et pour les différentes parties dont il est composé sont présentés.
-Fréquence variable
Fuel cells are devices in which a fuel’s chemical potential energy is directly converted into electrical energy. They are almost always coupled to a power converter and the ensemble is here called “fuel cell system.” The behaviour of such systems, the interactions between their components,and their responses to external stimulations have been analysed, studied and measured. For this purpose, a complete fuel cell system has been modelled. Sizing criteria for cases where neither the fuel cell nor the power converter are a priori known have been identified, and a prototype has been sized and built. Other interesting correlative aspects have also been developed and studied, like the operation of the power converter on the border between the discontinuousand continuous conduction modes, and its control with a variable switching frequency. Experimental and simulation results for the system and for the different parts that compose it are presented.
Source: http://www.theses.fr/2009TOUR4027/document

Informations

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• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 22 Mo

Extrait

UniversitéFrançoisRabelaisdeTours UniversitàdegliStudidiPadova
ScuoladiDottoratoinIngegneriadell’InformazioneÉcoleDoctorale«Santé,SciencesetTechnologies»
LMPLaboratoiredeMicroélectroniquedePuissance DEIDipartimentodi
THÈSEENCOTUTELLEprésentéepar
TESIINCOTUTELApresentatada
CO-TUTOREDTHESISsubmittedby
BenoîtBIDOGGIA
soutenuele/discussali/defendedon
2Décembre/Dicembre/December2009
pourobtenirlesgradesde/perconseguireititolidi/fortheawardof thedegreesof
«DOCTEURDEL’UNIVERSITÉDETOURS»et/e/and
«DOTTOREDIRICERCADELL’UNIVERSITÀDIPADOVA»
Discipline/Discipina/Subject:
Électroniquedepuissance/Elettronicadipotenza/Powerelectronics
FUELCELLANDPOWERCONVERTERSYSTEMS:
MODELANDDESIGN
THÈSEdirigéepar/RELATORIDIDOTTORATO/ADVISORS
MonsieurBUSOSimone Professore,UniversitàdiPadova,ItalyVENTURALaurent Professeur,UniversitédeTours,France
RAPPORTEURS/ESAMINATORI/EXAMINERS
MonsieurBERTHONAlain Professeur,UniversitédeFranche-Comté,FranceKÆRSørenKnudsen Professor,AalborgUniversitet,Danemark
JURY/COMMISSIONE/COMMITTEE
MonsieurBERNINGTorsten Assistantprofessor,AalborgUniversitet,DanemarkBERTHONAlain Professeur,UniversitédeFranche-Comté,France
MonsieurBUSOSimone Professore,UniversitàdiPadova,ItalyFERRIEUXJean-Paul Professeur,UniversitédeGrenoble,France
MonsieurKÆRSørenKnudsen Professor,AalborgUniversitet,DanemarkLEQUEUThierry MaîtredeConférences,UniversitédeTours,France
MonsieurSPIAZZIGiorgio Professore,UniversitàdiPadova,ItalyVENTURALaurent Professeur,UniversitédeTours,[e-mail]
Lastcompiledon11January,2010Tomyparents,LilianeandRoberto,
andtoallmyfriends.
Tours,December2,2009RÉSUMÉ
Les piles à combustible sont des dispositifsqui permettent de transformer directement l’énergie
chimique potentielle d’un carburant en énergie électrique.Elles sont presque toujours couplées
à un convertisseur de puissanceet l’ensembleest ici appelé « systèmeà pile à combustible». Le
comportement de ces systèmes, les interactions entre ses composants, ainsi que leurs réponses
aux stimulationsextérieuresont été analysés,étudiés et mesurés.A cet effet,un système à pile
à combustible complet a été modélisé. Des critèresde dimensionnement pour cas où ni la pile ànileconvertisseurdepuissancesontàprioriconnusontétéidentifiésetunprototypea
étédimensionnéetréalisé. D’autresaspectscorrélatifsintéressantsontégalementétédéveloppés
et étudiés,comme le fonctionnement du convertisseur à la limite entre les modes de conduction
continuetdiscontinu,ainsiquesoncontrôleà fréquencedecommutationvariable. Desrésultats
expérimentauxetdesimulationpourlesystèmeetpourlesdifférentespartiesdontilestcomposé
sontprésentés.
Motsclefs.— Pileàcombustible,alimentationàdécoupage,hacheurélévateur,modèle,fréquence
variable.
RIASSUNTO
Lecelleacombustibilesonodeidispositiviincuil’energiachimicapotenzialediuncombustibileè
direttamenteconvertitainenergiaelettrica.Quasisemprelecelleacombustibilesonoaccoppiate
a un convertitoredi potenza e l’insieme è qui chiamato «sistema a celle a combustibile». Il com-
portamentodiquestisistemi,leinterazionitra idiversicomponenti,nonchélelororispostea sti-
moliesternisonostatianalizzati,studiatiemisurati.Atalfine,unsistemacompletoacelleacom-
bustibileèstatomodellizzato. Sonostatiidentificatideicriterididimensionamentopercasiincui
nélacellaacombustibile,néilconvertitoresononotiapriori,eunprototipoèstatodimensionatoe
realizzato. Altriinteressantiaspetticorrelatisonostatisviluppatiestudiati,comeilfunzionamento
delconvertitoredipotenzaallimiteframododiconduzionediscontinuoecontinuo,eilsuocontrollo
afrequenzadicommutazionevariabile. Risultatisperimentaliedisimulazioneperilsistemaele
diversepartichelocompongonosonopresentati.
Parole chiave. — Celle a combustibile,alimentatore a commutazione,boost, modello, frequenza
variabile.
SUMMARY
Fuelcellsaredevicesinwhichafuel’schemicalpotentialenergyisdirectlyconvertedintoelectrical
energy.Theyarealmostalwayscoupledtoapowerconverterandtheensembleisherecalled“fuel
cellsystem.” Thebehaviourof suchsystems,theinteractionsbetweentheircomponents,andtheir
responsesto externalstimulationshave been analysed,studied and measured.For thispurpose,
acompletefuelcellsystemhasbeenmodelled. Sizingcriteriaforcaseswhereneitherthefuelcell
nor the power converter are a prioriknown have been identified,and a prototypehasbeen sized
andbuilt. Otherinterestingcorrelativeaspectshavealsobeendevelopedandstudied,liketheop-
erationof thepowerconverterontheborderbetweenthediscontinuousandcontinuousconduction
modes,anditscontrolwitha variableswitchingfrequency. Experimentalandsimulationresults
forthesystemandforthedifferentpartsthatcomposeitarepresented.
Keywords.— Fuelcellsystem,switchmodepowersupply,boost,model,variablefrequency.ACKNOWLEDGMENTS
IwouldliketothanktheinstitutionswithoutwhosefinancialsupportIcould
nothavecarriedoutmyPhD,namelytheFrenchRégionCentreformy3-year
PhD scholarship,the FondazioneIng.AldoGiniof Padova,Italy,for its one-
timesc,andtheUniversitéFranco-Italienneforpayingmynumerous
displacements between France and Italy.I also have to thank Aalborg Uni-
versitetanditsInstituteforEnergyTechnologyforlettingmefinishmythesis
during my firstmonthsinAalborg,andfor therundstykker— breadrolls—
offeredduringthetraditionalFridaycoffeebreak,too.
Ialsofeelindebtedtotwocompanies:ExergyFuelCells—formerlyArcotron-
icsFuelCells—fromSassoMarconi,Bologna,Italy,andM.C.A.Elettrotecni-
cafromGardigiano,Venezia,Italy.IamgratefultoExergyFuelCellsforthe
enrichingscientificandindustrialpartnershipandfortheinterestinmywork
thatClaudioLanciottiandAngeloD’Anzishowed.Iwouldliketoexpressmy
gratitude to M.C.A.Elettrotecnica for all the help,friendship,material sup-
portandpizzasIhavebeengiven,andparticularlytoElisabettaandArmando
Secchi,andSamueleBerton.
Specialthanksgototheassessmentcommitteefortheinterestinthisthesis
andforcomingtoitsdefence,andtomyadvisors,forthesuggestionsandhelp
they provided me with in these three years, which were not always related
to power electronics or engineering. So, thanks to Prof. Jean-Paul Ferrieux
from Université de Grenoble, France,to Prof.Alain Berthon from Université
de Franche-Comté, France, to Prof. Søren Knudsen Kær and to Dr. Torsten
BerningfromAalborgUniversitet,Denmark,toProf.LaurentVenturaandto
Dr.Thierry Lequeu fromUniversitéFrançoisRabelaisdeTours,France,and
toProf.SimoneBusoandProf.GiorgioSpiazzifromUniversitàdegliStudidi
Padova,Italy.
When I left Tours in November 2008, I was sad leaving all my colleagues
and friends in Tours, whom I hope to visit quite often in the future: Chaw-viii FUELCELL ANDPOWERCONVERTERSYSTEMS
ki, Damien, Anne-Zab, Luong-Viêt, Fred, Djamel, Olivier, Sébastien, Loïc,
Gaël,Laurent(s),Daniel(s),Jérôme,Adelphe,Malika,Ambroise,Yves,Jean-
Charles,Nathalie,Fabien,Antonella,Antoine…Ireallyappreciatedthegreat
timewehadtogether.
Icannotforgetallthestaff of theformerlycalledDépartementdeProductique
of theEcolePolytechniquedeToursfor thechanceandresourcesIhavebeen
giveninteachingmicrocontrollers,andallthestaff of theDépartementGEII
of theInstitutUniversitairedeToursfororganisingallourconvivialdinners.
Many thanksalsogoto all thefriendsthat havebeen so kind to host me for
a while: Clément, Aude and little Anouck in Lyon, Laurence and Gilles in
Amiens, Béatrice and Bernard in their beautiful countryside and in their
1Splendid Island, Marie and Florian in Paris, Sandra, Léane, Quentin and
ThierryinTours,andMarciaandRudyinTours.
Iam also gratefulto Joel for our English-themedlunches,to Saraneand La
BazochechoirforourmusicalMondays,toAnnie,Isabelleandalltheskaters
of theClubMultiPatinagedeToursforallthehoursspentskatingonice.
Iwillnot forget all thestudentsIhavehad in thesethreeyears:Ihopethey
donotmindif Iamnotwritingalltheirnameshere.
Iwasalsosadtoleavemy colleaguesinPadova,whomIwishtothank:Elis-
abetta, Vladimir, Luisa, Rosapaola, Luca, Renato, Paolo. Many thanks go
to Mattia Morandin and Sandro Fasolo for their contribution to the project.
Manythanksalsogotothetechnicalandadministrativestaff of theDepart-
mentof InformationEngineeringof Padova,Italy—Federico,Sabrina,Enri-
co,Angela—andtoProf.PaoloTenti,itsformerdirector,fortheirsupport.
WideandsincerehugstoallmyItalianfriends,whohavenotforgottenmeyet,
even if I only appear from time to time:Elisabetta and Samuele,Valentina
and Simone, Anna and Marco, Marika and Daniele, Marco and Caterina,
Giuseppe and Serena, Luca and Elisa, Tiziana, Francesco, Marco, Luca,
Maida,Laura,Pasquale…
Iwouldliketocitemy newcolleaguesinAalborg,whohelpedmeinmy first
steps in this ne