Université Joseph Fourier Conception d'une interface d'électronique ...

Universit Joseph Fourier

N attribu par la bibliothque /__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/

THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUJF

Spcialit : Gnie Electrique

Prpare au Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble UMR 5529

Dans le cadre de lcole doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Tlcommunication, Signal

Prsente et soutenue publiquement

par

DANG Bang Viet

Le 08 Dcembre 2006

Titre :

Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile Combustible

JURY M. SEDDIK BACHA Prsident M. ALAIN BERTHON Rapporteur M. PHILIPPE LE MOIGNE Rapporteur M. JEAN-PAUL FERRIEUX Directeur de thse M. YVES LEMBEYE Co-encadrant de thse M. ALAIN LACARNOY Examinateur M. LUIS MARTINEZ-SALAMERO Examinateur M. JEAN BARBAROUX Invit


ii


iii

Dnh cho gia nh ti!


iv


v

La soutenance sloigne et cest le moment de penser tout ce qui au tour de moi pendant les

sjours Grenoble et de dire Merci !.

Je voudrais exprimer ma reconnaissance tout en premier lieu mes responsables DEA et puis

mes directeurs de thse Jean Paul FERRIEUX et Yves LEMBEYE sans qui rien ne serait

possible. Cest vrai que jai de la chance quand jai des responsables comme vous.

Je tiens remercier M. Seddik BACHA pour avoir accept dtre prsident de mon jury ainsi

que M. Philippe LE MOIGNE et M. Alain BERTHON pour avoir accept dtre rapporteurs

de mon mmoire et pour les diffrentes remarques constructives.

Je voudrais remercier M. Alain LACARNOY pour avoir accept de prendre part au jury et pour

vos remarques du point de vue industriel.

Je voudrais remercier M. Luis MARTINEZ SALAMERO pour avoir t pass un long trajet

depuis lEspagne pour participer au jury et pour ses contributions intressantes.

Un grand merci Jean BARBAROUX pour tes astuces pratiques. Sans toi, il est difficile

davoir un convertisseur de qualit. Tu mas beaucoup aid non seulement dans le travail mais

encore dans la vie quotidienne.

Je voudrais remercier les secrtaires du labo, donc Danielle, Monique, Elise, Jacqueline pour

leurs aides depuis mon arrive au labo ainsi que tout au long de mon sjour au LEG.

Merci beaucoup mes amis du labo et en particulier de lquipe EP pour avoir cr une trs bonne

ambiance de travail.

Je voudrais remercier mes amis AEVG pour tout ce quon a cr ensemble ici, Grenoble.

Cui cng ti xin dnh li cm n chn thnh nht n gia nh ti, nhng ngi thn yu nht

qu ti.

Con xin cm n b m. Tuy b m xa nhng con bit rng b m lun lun lo lng v di theo

tng bc i ca con. B m lun to nim tin v l ch da vng chc cho con, khng bao gi

khin con phi bn tm lo lng v vic nh, mc d b m nh c nhng lc gp rt nhiu

kh khn. Cm n Chi v lun quan tm, nu n rt ngon cho anh mi khi c th

Cm n em, Ngc, v nhng pht giy vui bun em chia s cng anh, v s ng vin ca em

dnh cho anh, v c nhng lc em ly anh na v cn nhiu iu khc m anh khng th dng

li vn ni ht c.


vi


vii

SOMMAIRE


viii

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................. 1

CHAPITRE 1 : Gnrateur Pile Combustible

1.1. Gnralits sur le systme PAC : ---------------------------------------------------------------10

1.1.1. Principe de fonctionnement et constitution : --------------------------------------------------- 10 1.1.1.1. Le coeur :------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 1.1.1.2. Gnrateur PAC : ------------------------------------------------------------------------------------------ 13 1.1.1.3. Avantages et limites :---------------------------------------------------------------------------------------- 15

1.1.2. Actualit des applications :------------------------------------------------------------------------- 16 1.1.2.1. Applications portables : ------------------------------------------------------------------------------------- 17 1.1.2.2. Applications dans le transport : ---------------------------------------------------------------------------- 18 1.1.2.3. Applications stationnaires : --------------------------------------------------------------------------------- 19

1.2. Comportement de la PAC et contraintes sur le convertisseur EP : -----------------------20

1.2.1. Comportement lectrique de la PAC : ----------------------------------------------------------- 20 1.2.1.1. Caractristique statique nature dune source non linaire :------------------------------------------- 20 1.2.1.2. Comportement dynamique nature dune source de tension : ----------------------------------------- 21

1.2.2. Contraintes imposes par la source:-------------------------------------------------------------- 23 1.2.2.1. Fort courant et faible tension de la PAC :----------------------------------------------------------------- 23 1.2.2.2. Faible ondulation du courant dbit :---------------------------------------------------------------------- 24 1.2.2.3. Rponse des variations de charges : --------------------------------------------------------------------- 25

1.3. Prsentation de deux gammes de puissance de PAC :---------------------------------------26

1.3.1. Contexte de recherche : projets PACo et FEBUSS-------------------------------------------- 27 1.3.1.1. Cahier des charges du projet PACo : ---------------------------------------------------------------------- 27 1.3.1.2. Cahier des charges du projet europen FEBUSS : ------------------------------------------------------- 27

1.3.2. Architecture du systme des convertisseurs ---------------------------------------------------- 27 1.3.2.1. Modes de connexion : --------------------------------------------------------------------------------------- 27 a) Mise en parallle de la sortie des convertisseurs : -------------------------------------------------------------- 28 b) Mise en srie de la sortie des convertisseurs : ------------------------------------------------------------------- 28 1.3.2.2. Gamme moyenne puissance :------------------------------------------------------------------------------- 29 1.3.2.3. Gamme forte puissance : ------------------------------------------------------------------------------------ 30 a) Structures lvatrices envisageables : ---------------------------------------------------------------------------- 30 b) Modes de connexion envisageables : ----------------------------------------------------------------------------- 32

1.4. Conclusion :----------------------------------------------------------------------------------------32

CHAPITRE 2: Convertisseurs de moyenne puissance Modles de pertes - Technique de l'entrelacement

2.1. Modles de pertes des composants : ------------------------------------------------------------36

2.1.1. Modles de pertes des semi conducteurs :------------------------------------------------------- 36 2.1.1.1. Constitution des SC : ---------------------------------------------------------------------------------------- 36 2.1.1.2. Modle des pertes dune cellule de commutation : ------------------------------------------------------ 38

2.1.2. Modle de pertes des inductances : --------------------------------------------------------------- 42 2.1.2.1. Dimensionnement des inductances :----------------------------------------------------------------------- 42 2.1.2.2. Mthode des plaques de Dowell : -------------------------------------------------------------------------- 43


ix

2.1.2.3. Mthode de Dowell applique dans une inductance torique : ------------------------------------------ 46 2.1.2.4. Pertes fer des inductances : --------------------------------------------------------------------------------- 49 2.1.2.5. Dimensionnement optimal des inductances : ------------------------------------------------------------- 50

2.1.3. Modle de pertes des condensateurs :------------------------------------------------------------ 53

2.2. Technique de lentrelacement : -----------------------------------------------------------------53

2.2.1. Inductances de sortie : ------------------------------------------------------------------------------ 54

2.2.2. Semi conducteurs : ----------------------------------------------------------------------------------- 57

2.2.3. Dimensionnement global du hacheur entrelac : ---------------------------------------------- 58 2.2.3.1. Inductances principales:------------------------------------------------------------------------------------- 58 2.2.3.2. Transistors : --------------------------------------------------------------------------------------------------- 59 2.2.3.3. Diodes :-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59 2.2.3.4. Condensateur de sortie:-------------------------------------------------------------------------------------- 59 2.2.3.5. Filtre LC en entre au ct des transistors :--------------------------------------------------------------- 59

2.3. Optimisation de la structure rpartition des pertes :---------------------------------------60

2.3.1. Dimensionnement et pertes dans les inductances : -------------------------------------------- 60

2.3.2. Stratgie de choix et pertes des semi conducteurs : ------------------------------------------- 62

2.3.3. Rpartition des pertes dans les convertisseurs: ------------------------------------------------ 67

2.4. Conclusion :----------------------------------------------------------------------------------------69

CHAPITRE 3: Convertisseurs de forte puissance Structures non isoles - Modularit

3.1. Rappel sur la structure BOOST : ---------------------------------------------------------------74

3.1.1. Fonctionnement : ------------------------------------------------------------------------------------- 74 3.1.1.1. Principe de fonctionnement : ------------------------------------------------------------------------------- 74 3.1.1.2. Contraintes sur les composants : --------------------------------------------------------------------------- 75

3.1.2. Difficults vis--vis du cahier des charges : ----------------------------------------------------- 76 3.1.2.1. Tension de dimensionnement : ----------------------------------------------------------------------------- 77 3.1.2.2. Influence du rapport cyclique:------------------------------------------------------------------------------ 77

3.2. Double BOOST entrelac : ----------------------------------------------------------------------79

3.2.1. Principe de fonctionnement : ---------------------------------------------------------------------- 79

3.2.2. Dimensionnement global : -------------------------------------------------------------------------- 81 3.2.2.1. Semi conducteurs : ------------------------------------------------------------------------------------------- 81 3.2.2.2. Inductances : -------------------------------------------------------------------------------------------------- 81 3.2.2.3. Condensateur de filtrage de sortie : ------------------------------------------------------------------------ 82

3.2.3. Exemples de simulation : --------------------------------------------------------------------------- 83

3.3. Double BOOST dual entrelac : ----------------------------------------------------------------84

3.3.1. Principe de fonctionnement : ---------------------------------------------------------------------- 84

3.3.2. Dimensionnement global : -------------------------------------------------------------------------- 87 3.3.2.1. Semi conducteurs : ------------------------------------------------------------------------------------------- 87 3.3.2.2. Inductances : -------------------------------------------------------------------------------------------------- 87 3.3.2.3. Condensateur de filtrage de la sortie : --------------------------------------------------------------------- 88


x

3.3.3. Exemples de simulation ----------------------------------------------------------------------------- 89

3.4. Comparaison des trois structures ---------------------------------------------------------------91

3.4.1. Rapport cyclique :------------------------------------------------------------------------------------ 91

3.4.2. Inductance : ------------------------------------------------------------------------------------------- 92


3.4.4. Condensateur :---------------------------------------------------------------------------------------- 99

3.5. Etude de la modularit :------------------------------------------------------------------------ 100

3.5.1. Mise en parallle de la sortie des convertisseurs : ------------------------------------------- 100

3.5.2. Mise en srie de la sortie des convertisseurs : ------------------------------------------------ 102

3.5.3. Mise en srie des PAC en entre du convertisseur :----------------------------------------- 104

3.6. Conclusion:--------------------------------------------------------------------------------------- 106

CHAPITRE 4: Contrle - commande de l'interface de puissance

4.1. Principales fonctions de transfert : ----------------------------------------------------------- 112

4.1.1. Fonction de transfert du BUCK : --------------------------------------------------------------- 112

4.1.2. Fonction de transfert du BOOST : ------------------------------------------------------------- 114

4.2. Gestion de la puissance dans un convertisseur : ------------------------------------------- 115

4.2.1. Construction de la loi de commande :---------------------------------------------------------- 115

4.2.2. Equilibrage des courants lmentaires :------------------------------------------------------- 116

4.2.3. Application numrique : -------------------------------------------------------------------------- 117

4.3. Gestion de l'quilibrage de la puissance entre les modules : ----------------------------- 119

4.3.1. Problmatique et mthodologie :---------------------------------------------------------------- 119

4.3.2. Equilibrage du courant d'entre ou de sortie :----------------------------------------------- 120

4.4. Gestion des transitoires de charge : ---------------------------------------------------------- 122

4.4.1. Position de la source auxiliaire : ---------------------------------------------------------------- 123

4.4.2. Construction de la commande : ----------------------------------------------------------------- 125

4.4.3. Comportement de l'ensemble lors de variations de charge : ------------------------------ 126

4.5. Ralisation de deux BUCK de 2,5 kW : ------------------------------------------------------ 127

4.5.1. Fonctionnement indpendant : ------------------------------------------------------------------ 129 4.5.1.1. Rgime normal :---------------------------------------------------------------------------------------------129 4.5.1.2. Rgime de dfaut dune branche : ------------------------------------------------------------------------132 4.5.1.3. Rendement :--------------------------------------------------------------------------------------------------132

4.5.2. Fonctionnement en parallle : ------------------------------------------------------------------- 135

4.6. Conclusion :-------------------------------------------------------------------------------------- 136


xi

CONCLUSION GENERALE

REFERENCES

ANNEXE

A.1. Dimensionnement analytique des condensateurs de filtrage ct semi conducteurs : 150

A.2. Dimensionnement global du BUCK entrelac : -------------------------------------------- 154

A.3. Dimensionnement des structures de forte puissance :------------------------------------- 155

A.4. Fonction de transfert du BUCK et du BOOST :-------------------------------------------- 158

A.5. Un outil pour la conception du systme de rgulation ------------------------------------ 162

A.6. Formes dondes du BUCK 2.5 kW ralis : ------------------------------------------------- 164

A.7. Pertes cuivre dans les inductances :---------------------------------------------------------- 169


xii


1

INTRODUCTION GENERALE


2

accroissement de lutilisation de lnergie et la rarfaction des combustibles fossiles oblige

lhomme trouver un nouveau vecteur nergtique durable pour lavenir. Ce nouveau vecteur

devra possder des vertus telles que : pouvoir tre produit partir de diffrentes sources

dnergie primaire (fossile ou non fossile), tre facilement transport, stock et distribu. De plus, il doit

tre facile de le convertir vers d'autres formes finales dutilisation comme : lectrique, mcanique,

thermique et chimique Pour l'heure, seul lhydrogne peut prtendre rpondre ces critres [CEA44]

[European]. En effet, bien que lhydrogne sous la forme molculaire nexiste quasiment pas dans la

nature, latome dhydrogne est extrmement abondant sur notre terre. En ralit, la production

dhydrogne peut tre envisage par trois voies principales : oxydation des produits dorigine fossile (gaz

naturel), llectrolyse de leau (par nergie olienne et photovoltaque ou bien nergie nuclaire),

production directe partir de la biomasse ou par lutilisation de bactries. Lhydrogne produit sera

ensuite stock dune faon centralise ou dcentralise adapte aux modes dutilisation. Le stockage de

lhydrogne peut tre ralis par quatre formes principales : un produit hydrogn (comme un alcool), tre

liqufi trs basse temprature (20 K), tre comprim dans un rservoir ou bien tre absorb dans des

matriaux comme les hydrures et les nano tubes. Lhydrogne, lui-mme, a pu tre transport des

distances de lordre de la centaine de kilomtres sans la moindre dfaillance depuis plus de 70 ans. Enfin,

son utilisation est optimise par des voies connues et bien matrises comme les moteurs thermiques, les

turbines gaz, les chaudires et un nouveau trs bon convertisseur dnergie : la pile combustible. En

possdant ces vertus intressantes, lhydrogne, peut tre considr comme un nouveau vecteur

nergtique pour lavenir.


3

Intro 1. Hydrogne vecteur nergtique pour lavenir

La pile combustible (PAC), quant elle, est une technologie maintenant matrise qui permet de

convertir efficacement le combustible hydrogne en nergie lectrique et thermique. Elle est intressante

non seulement par son rendement plus lev par rapport des conversions thermiques traditionnelles

(moteur, turbine) mais encore par son faible impact environnemental. Sa diversit technologique

(temprature de fonctionnement, nature de llectrolyte) facilite ses applications. Aprs une premire

phase de dveloppement limite seulement aux applications o le cot est un facteur secondaire, les

marchs prometteurs des piles combustible apparaissent aujourdhui multiples. Nous pouvons distinguer

trois grands domaines dapplications : portable, stationnaire et transport. Ceci a attir la participation de

nombreux acteurs dans le monde entier.

Intro2. Pile combustible excellent convertisseur du vecteur nergtique


4

Malgr les caractristiques nergtiques et environnementales intressantes ainsi que la diversit de

technologie, la PAC, comme les autres sources dnergie non conventionnelles, nest pas une bonne

source lectrique. En effet, ses caractristiques lectriques, en gnral, ne rpondent pas aux besoins de

lutilisateur. Lextension de son utilisation dpend par consquent fortement de la qualit de linterface

lectronique de puissance. Cest donc lorigine de mes travaux de thse : la conception du systme de

conversion lectronique de puissance pour pile combustible.

Le premier chapitre de la thse rappellera, tout dabord, le principe de fonctionnement et des notions de

base dun systme de PAC. En suite, nous prsentons les intrts et les limites quapporte la PAC ainsi

que ltat de lart des marchs actuels. Puis, nous nous intressons aux caractristiques et aux contraintes

de la PAC qui poseront des problmes auxquels notre convertisseur doit faire face. En effet, la PAC est

une source non linaire en statique mais en dynamique elle est peut tre considre comme une source de

tension. En ce qui concerne les contraintes, nous devrons rsoudre les problmes typiques de la PAC : une

source fort courant basse tension, une faible ondulation du courant dbit et une dynamique lente lors

des rgimes transitoires. Nous prsentons galement les deux projets FEBUSS et PACo desquels nous

utiliserons les spcifications. En fait, le PACo vise des applications stationnaires de moyenne puissance

de type tlcommunications tandis que le projet europen FEBUSS se situe dans la gamme de forte

puissance pour les applications stationnaires et de transport. Le cahier des charges de FEBUSS, quant

lui, ajoute une contrainte de fort rapport de tension entre l'entre et la sortie. Enfin, le chapitre se termine

par une discussion sur les structures de convertisseur ainsi que les modes de connexion adapts aux

cahiers des charges de ces deux projets.

Les deux chapitres qui suivent se concentreront sur loptimisation de larchitecture du systme de

conversion en rgime stationnaire en se basant sur des critres tels que : le rendement, le volume, le cot

et la possibilit de modularit. En effet, comme nous le verrons, notre systme de conversion se

composera de convertisseurs lmentaires. Loptimisation de celui-ci consistera donc loptimisation de

la structure de chaque convertisseur lmentaire et loptimisation de leur mode de connexion.

Dans le chapitre 2, nous aborderons les convertisseurs de moyenne puissance. Le chapitre commencera

par la construction des modles de pertes des composants dans un convertisseur d'lectronique de

puissance comme linductance, les semi conducteurs et le condensateur. Ceci servira dune base pour

comparer les performances des structures ainsi que leurs configurations. Nous tudierons ensuite dune

faon approfondie la technique de lentrelacement qui est considre comme une solution contre le

problme de fort courant de la pile. Elle modifie, dune part, la forme donde des courants et des tensions


5

et, dautre part, offre la possibilit doptimiser le dimensionnement des inductances vis--vis de leurs

pertes et de leur volume. Dans la suite de ce chapitre, nous aborderons le dimensionnement global du

BUCK entrelac. Une tude systmatique des pertes dans les inductances en variant le nombre de

branches dentrelacement nous permet dclairer les intrts et les limites de la technique de

lentrelacement. En tenant compte de leur contribution importante sur les pertes, nous analyserons le

compromis qualit prix des semi conducteurs afin dobtenir une stratgie de choix raisonnable. Enfin,

les calculs de dimensionnement et de pertes vis--vis du cahier des charges du convertisseur de moyenne

puissance nous permettront de conclure sur la structure et la configuration optimale pour chaque niveau

de puissance ainsi que la possibilit de modularit dans la conception du convertisseur.

Dans le chapitre 3, nous discuterons sur les convertisseurs de forte puissance que demande le projet

FEBUSS. Laccent de ce chapitre portera sur les solutions contre les contraintes de forte tension de

dimensionnement et de fort rapport de tension. Nous prsenterons, dabord, les difficults du BOOST

entrelac vis--vis du cahier des charges. Ensuite, nous analyserons la structure choisie par Schneider

Electric, le double BOOST entrelac, qui permet de rduire la tension de dimensionnement. Par contre,

cette structure nest pas une bonne solution lors de la modularit. Nous avons propos une nouvelle

structure, nomme double BOOST dual entrelac, qui, possde les caractristiques intressantes des deux

premires structures vis--vis de notre cahier des charges. Afin davoir une vue globale sur le domaine

dapplications de chaque structure, nous les avons compares vis--vis du dimensionnement des

inductances, des semi conducteurs et des condensateurs. Enfin, comme pour la gamme de moyenne

puissance, nous avons abouti des conclusions sur la structure et la configuration optimale pour chaque

niveau de puissance et la possibilit de modularit.

Dans le dernier chapitre, nous nous intressons aux aspects de contrle commande du systme de

conversion lors du rgime stationnaire et du rgime transitoire. En effet, en rgime stationnaire, le

systme de contrle commande doit asservir la tension sur la charge tout en assurant une bonne

rpartition de la puissance entre les modules. En rgime transitoire, une source auxiliaire sera

indispensable afin de compenser la dynamique lente de la PAC. A la fin de ce chapitre, nous allons

prsenter les rsultats exprimentaux de deux modules de convertisseurs de 2.5 kW tudis et choisis dans

le chapitre 2. Ces rsultats valideront nos efforts de calculs et de prdictions thoriques.


6


7

CHAPITRE 1

GENERATEUR A PILE GENERATEUR A PILE GENERATEUR A PILE GENERATEUR A PILE AAAA COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE


8

Table des matires du chapitre 1

1.1. Gnralits sur le systme PAC : ---------------------------------------------------------------10

1.1.1. Principe de fonctionnement et constitution : --------------------------------------------------- 10 1.1.1.1. Le coeur :------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 1.1.1.2. Gnrateur PAC : ------------------------------------------------------------------------------------------ 13 1.1.1.3. Avantages et limites :---------------------------------------------------------------------------------------- 15

1.1.2. Actualit des applications :------------------------------------------------------------------------- 16 1.1.2.1. Applications portables : ------------------------------------------------------------------------------------- 17 1.1.2.2. Applications dans le transport : ---------------------------------------------------------------------------- 18 1.1.2.3. Applications stationnaires : --------------------------------------------------------------------------------- 19

1.2. Comportement de la PAC et contraintes sur le convertisseur EP : -----------------------20

1.2.1. Comportement lectrique de la PAC : ----------------------------------------------------------- 20 1.2.1.1. Caractristique statique nature dune source non linaire :------------------------------------------- 20 1.2.1.2. Comportement dynamique nature dune source de tension : ----------------------------------------- 21

1.2.2. Contraintes imposes par la source:-------------------------------------------------------------- 23 1.2.2.1. Fort courant et faible tension de la PAC :----------------------------------------------------------------- 23 1.2.2.2. Faible ondulation du courant dbit :---------------------------------------------------------------------- 24 1.2.2.3. Rponse des variations de charges : --------------------------------------------------------------------- 25

1.3. Prsentation de deux gammes de puissance de PAC :---------------------------------------26

1.3.1. Contexte de recherche : projets PACo et FEBUSS-------------------------------------------- 27 1.3.1.1. Cahier des charges du projet PACo : ---------------------------------------------------------------------- 27 1.3.1.2. Cahier des charges du projet europen FEBUSS : ------------------------------------------------------- 27

1.3.2. Architecture du systme des convertisseurs ---------------------------------------------------- 27 1.3.2.1. Modes de connexion : --------------------------------------------------------------------------------------- 27 a) Mise en parallle de la sortie des convertisseurs : -------------------------------------------------------------- 28 b) Mise en srie de la sortie des convertisseurs : ------------------------------------------------------------------- 28 1.3.2.2. Gamme moyenne puissance :------------------------------------------------------------------------------- 29 1.3.2.3. Gamme forte puissance : ------------------------------------------------------------------------------------ 30 a) Structures lvatrices envisageables : ---------------------------------------------------------------------------- 30 b) Modes de connexion envisageables : ----------------------------------------------------------------------------- 32

1.4. Conclusion :----------------------------------------------------------------------------------------32


9

omme nous venons de le voir, la pile combustible (PAC) est connue comme tant un

gnrateur efficace utilisant lhydrogne qui est considr comme un vecteur nergtique pour

lavenir. De nombreuses recherches dans ce domaine permettent dapporter des amliorations

considrables sur son rendement, sa capacit, ses caractristiques et, en particulier, son cot [FC today].

Ces progrs sont visibles par ses applications nombreuses de trs faible puissance, de quelques Watts dans

les micros applications, jusquaux grandes puissances de lordre de plusieurs centaines de kW dans les

applications stationnaires et de transports. Pour devenir utilisable, cette nouvelle source dnergie

ncessite la mise en place dune interface lectronique de puissance afin dadapter la pile la charge. Or,

la varit de son domaine dapplication ainsi que de sa technologie impose des systmes de conversion

spcifiques. Le but de ce chapitre est donc de positionner notre contexte de recherche, de prsenter le

cahier des charges ainsi que les objectifs atteindre.

Le chapitre dbute par une introduction gnrale sur la PAC, sa constitution ainsi que quelques

informations sur lactualit de ses applications. Ensuite, nous allons aborder les caractristiques

principales lies la conception dune interface d'lectronique de puissance (EP). Dans la troisime

partie, nous allons prsenter les cahiers des charges concrets de notre recherche ainsi quintroduire des

rflexions globales sur larchitecture du systme de conversion, donc les structures envisageables et leurs

modes de connexion.


10

1.1. Gnralits sur le systme PAC :

1.1.1. Principe de fonctionnement et constitution :

1.1.1.1. Le coeur :

a) Principe de fonctionnement :

La PAC est un gnrateur qui convertit directement lnergie interne dun combustible en nergie

lectrique par la synthse de leau partir dhydrogne et doxygne. En effet, les deux processus

doxydation et de rduction deux lieux diffrents ( lanode et la cathode) entranent un dplacement

des lectrons et produit du courant lectrique sous une faible tension de lordre du volt.

Pour la plupart des applications, le gnrateur PAC se compose de plusieurs cellules mises en

srie. Chaque cellule est constitue de deux lectrodes. Lanode sert la production doxydation du

carburant, gnralement lhydrogne. Du ct de llectrode ngative a lieu la raction de rduction du

comburant, gnralement loxygne de lair. Les faces des lectrodes sont recouvertes par un catalyseur,

souvent en platine. Les deux lectrodes sont spares par un lectrolyte. Lensemble lectrode ngative,

llectrolyte, llectrode positive constitue le coeur de la pile.

Dune faon plus gnrale, suivant la nature de llectrolyte, nous distinguons les piles acides ou

les piles basiques o les processus doxydation et de rduction se produisent lanode ou bien la

cathode.

Piles acides Piles alcalines

Anode H2 2H+ + 2e- 2H2 + 4OH

- 4H2O + 4e-

Cathode O2 + 2H+ + 2e- H2O O2 + 2H2O + 4e

- 4OH-

Bilan de la raction H2 + O2 H2O

Les figures 1.1 et 1.2 dcrivent le principe de fonctionnement dune cellule de PAC.

1, 11 : les plaques bipolaires.

2, 10 : lamene des gaz H2 et O2 (gaz conduit)

3, 9 : couche de diffusion

8 : triple contact

5, 7 : couche dactivation

6 : membrane


11

Fig. 1.2. Constitution dune cellule

b) Les lments de technologie principaux :

Plaques bipolaires :

Les plaques bipolaires se situent entre deux cellules et forment la frontire de chacune. Dans la figure 1.1,

nous voyons bien leur rle de collecter les lectrons gnrs et lamene des gaz sur chacune de ses deux

faces (do vient le nom bipolaire). Ailleurs, elles assurent encore dautres fonctions :

e- e-

H+

H+

H+

e-

e-

e-

e-

H2,gaz O2,gaz

O2,liq

H2O H2,liq

H2,gaz

H2,gaz

O2,gaz

O2,gaz

1 5

2 3

6 11 7 8

9 10

Fig. 1.1. Description du fonctionnement dune cellule de PAC de type PEM

Anode Cathode Membrane


12

- Elles sparent des ractifs entre les deux cellules.

- Ces plaques interviennent galement dans lvacuation de la chaleur due aux ractions

doxydorduction,

- Les plaques doivent en outre vacuer efficacement les gaz non consomms et leau produite par

la raction.

Afin de pouvoir assurer les fonctions ci-dessus, elles doivent :

- Etre un bon conducteur lectronique afin de rduire les pertes conductrices interne de la pile.

- Possder une impermabilit au gaz suprieure celle de la membrane.

- Etre chimiquement inerte

- Etre un bon conducteur thermique pour vacuer la chaleur des ractions

- Etre mcaniquement solide

Actuellement, le graphite est le matriau le plus adapt ces contraintes. Cependant, les matriaux

composites et mtalliques sont aussi des pistes prometteuses.

Electrodes :

Les lectrodes sont le lieu des ractions doxydorduction. Les lectrodes doivent donc offrir la plus

grande surface dchange possible avec les gaz. Elles sont constitues dun feutre ou dun papier de

carbone (100 300 m dpaisseur) dont la face en contact avec llectrolyte est enduite dune pte

contenant du carbone platin, dun polymre hydrophobe : du poly ttrafluorotylne (PTFE ou Tflon).

Les lectrodes sont constitues de deux couches : la couche de diffusion (3, 9) et la couche dactivation

(5, 7).

- Couche de diffusion :

Cette zone a pour objet de diffuser les gaz amens par les canaux des plaques bipolaires en zone active o

la raction se produit. Elle assure donc lapprovisionnement de la zone active en gaz ractif hydrat, la

conduction lectrique entre la zone active et les plaques amenant le courant ainsi quune bonne

vacuation de leau produite par la raction. Lalimentation en gaz doit tre la plus uniforme possible sur

la surface de llectrode afin dassurer lalimentation de la plus grande partie possible du catalyseur

(platine) en ractifs et dviter ainsi les points chauds dus au caractre exothermique de la raction

lectrochimique.

- Couche dactivation :

La zone active est le lieu des ractions lectrochimiques. Elle correspond la zone de couplage entre les

phnomnes lectriques, chimiques et le transfert de masse. Elle doit la fois assurer le transport des

pices dissoutes en solution par diffusion, la migration des protons et le transfert lectronique par le biais

du carbone. La grande difficult avec laquelle se ralisent les diffrents processus de diffusion et de

raction se traduit par les pertes dactivation la cathode et lanode. Cest pour cela que lutilisation du


13

platine est ncessaire afin daugmenter les vitesses ou cintiques des ractions chimiques linterface

lectrolyte catalyseur. Ces vitesses peuvent tre 10 fois plus rapides en prsence du platine.

Membrane lectrolytique :

La membrane est situe entre deux zones actives de deux lectrodes. Dans la pile de type PEM, elle

assure la migration des protons H+ de lanode vers la cathode. Le matriau standard utilis pour fabriquer

les membranes des piles PEM est de type Nafion bas sur du Tflon fluor. Il permet, en fait, une bonne

conduction ionique mais un bon isolant lectrique. De plus, il est impermable pour lhydrogne et

loxygne et a une bonne tenue mcanique face aux contraintes thermiques, de pression et dhydratation.

Un point important noter est que la chimie onreuse du Fluor dans la membrane posera des problmes

de retraitement de dchets.

1.1.1.2. Gnrateur PAC :

Un gnrateur PAC nest pas aussi simple que la partie lectrochimique qui constitue le cur, mais

prsente encore de nombreux autres lments qui ont pour objet dassurer le bon fonctionnement de

lensemble du systme de PAC. Globalement, nous pouvons dcrire un gnrateur PAC comme dans la

figure 1.3.

CHARGE

AMONT

- Production, conditionnement et rservoir du combustible - Conditionnement du carburant

CONTROLE COMMANDE

Source auxiliaire

INTERFACE ELECTRONIQUE DE

Coeur de la PAC

AVAL

- Gaz dchappement - Chaleur/Humidit

GENERATEUR PILE A COMBUSTIBLE

Fig. 1.3. Systme Pile Combustible


14

a) En amont du cur :

Les lments en amont du cur de la PAC ont pour objet dalimenter et de conditionner le combustible

(lhydrogne) ainsi que le carburant (loxygne) la partie lectrochimique.

Production de lhydrogne :

Bien que lhydrogne soit un lment trs rpandu dans la nature, il nest pas, dans la plupart des cas,

sous forme utilisable directe dun gaz molculaire libre mais sous forme compose. Nous le trouvons

dans tous les hydrocarbures, dans lammoniac et videmment dans leau. Ceci est un des avantages

importants que possde la PAC car le combustible nest pas limit mais trs flexible. Ce peut-tre des

sources renouvelables mais aussi des sources fossiles. Cest pour cela que lhydrogne nest pas considr

comme une nouvelle source dnergie mais comme un vecteur dnergie. Selon la source de combustible

primaire utilise, nous avons des procdures industrielles de reformage afin de produire de lhydrogne

pur.

Stockage dhydrogne :

Quand le procd de production dhydrogne est dconnect du systme pile, dans les applications de

transport par exemple, il faut avoir des rservoirs pour le stockage dhydrogne. Des alternatives sont

couramment employes :

- stockage sous forme liquide,

- stockage sous pression,

- stockage sous forme dhydrures mtalliques,

- et bientt, stockage dans des nano tubes.

Alimentation en comburant :

Dans la plupart des installations commerciales, le carburant utilis est loxygne pris dans lair ambiant et

non de loxygne pur. Un compresseur est donc recommand afin daugmenter la pression et la densit

des gaz. Cette augmentation se traduit par un meilleur rendement de la pile. Par contre, lajout du

compresseur rend le systme plus encombrement et coteux. De plus, la lenteur de la partie mcanique du

compresseur est la cause principale de la dynamique lente de la PAC lors des chelons de charge.

b) En aval du cur :

En aval de la pile, nous allons trouver un systme de traitement des produits vacus aprs la raction

lectrochimique. Ce sont des gaz, de leau et de la chaleur. Llectricit est collecte par un bus barre et

alimente la charge donc nous ne la comptons pas comme un produit vacu. Ces produits doivent tre

traits avant le rejet dans latmosphre.

c) Interface lectrique :

Cette interface est llment principal dans notre travail de recherche. Elle a pour objet de stabiliser

lnergie gnre par la PAC afin de transformer la PAC dune source variable un gnrateur de tension


15

contrle. Elle se compose dun convertisseur principal connect avec la PAC et dune source auxiliaire

en parallle avec la PAC via un convertisseur auxiliaire. Le convertisseur principal asservira la tension

nominale demande par la charge tandis que la source auxiliaire sert compenser le courant de la PAC

lors des dynamiques rapides de la charge et lors du dmarrage.

d) Systme de contrle commande :

Il ne faut pas oublier lexistence de ce systme car il dcide du bon fonctionnement de lensemble du

systme PAC. Son rle est de contrler les flux dnergie de la PAC par le dbit de combustible et de

carburant, de contrler lnergie entre la PAC et la source auxiliaire ainsi que dasservir la tension dsire

par la charge en assurant la scurit de fonctionnement de tout le systme.

1.1.1.3. Avantages et limites :

a) Avantages :

Durant les dernires annes, le nombre des acteurs participant la recherche dans cette technologie n'a

cess de crotre. Ceci est justifi par les avantages promoteurs de la PAC.

Hauts rendements nergtiques mme charge partielle :

Ce rendement est nettement suprieur des gnrateurs traditionnels et nest pas dgrad charge

partielle. Nous pouvons attendre des rendements globaux de lordre 50% pour les applications de

transport ou bien de 85% 90% lors de la cognration dans les applications stationnaires.

Faibles missions sonores :

Lors de leur fonctionnement, les piles sont silencieuses : dans les systmes PAC, seuls certains organes

comme les compresseurs, les pompes et le systme de ventilation produisent un lger bruit. Cest un

avantage majeur pour linsertion des piles en milieu urbain.

Peu d'missions :

Nous parlons souvent de la PAC comme d'une source dnergie propre dans la lutte contre la pollution, en

particulier la pollution des gaz effet de serre. Bien que lmission des gaz toxiques dpende du

combustible utilis, elle est toujours bien infrieure celle des moteurs essence.

Possibilit de modularit :

Les piles sont constitues de cellules lmentaires mises en srie pour obtenir la puissance voulue. Il est

donc possible dadapter le nombre de cellules en srie ainsi que la surface de chacune afin dobtenir des

puissances de moins de 1 kW plusieurs MW. Pour les piles de trs petite puissance, on a recours des

techniques de miniaturisation.

Diverses tempratures de fonctionnement :

Il existe plusieurs technologies de PAC qui permettent de travailler faible ou bien haute temprature.

Les technologies ayant une faible temprature de fonctionnement sont envisageables dans les applications


16

de type portable et mobile qui nont pas besoin de chaleur. Le rendement lectrique de ces technologies

est aussi meilleur basse temprature. En revanche, pour les piles de temprature de fonctionnement plus

leve, nous pouvons utiliser la chaleur pour des applications domestiques ou industrielles voire un

couplage avec une turbine.

Pas de parties rotatives :

Hormis les compresseurs du systme auxiliaire, dans la description du principe de fonctionnement de la

PAC, nous remarquons bien quil nexiste pas de partie rotative dans celle-ci. Le systme est

mcaniquement plus fiable et solide.

b) Les verrous :

La PAC est une nouvelle technologie. Malgr des caractristiques trs intressantes montres ci-dessus, il

existe encore des problmes rsoudre afin de devenir viable devant les modes de production

traditionnels.

Cot :

Actuellement, cest le problme le plus important. Malgr des rductions considrables pendant ces

dernires annes, le cot dinstallation reste encore trs lev. Selon la puissance installe et la

technologie de pile, le cot dinstallation est environ de 3000$ 5500$ (voire 10000$) par kW [FC today].

Dautre part, nous remarquons galement des cots levs du combustible (hydrogne).

Dure de vie :

Les renseignements sur la dure de vie de la PAC restent encore prouver. Pour devenir concurrentiel,

elle doit survivre de lordre de quelques milliers dheures pour les applications mobiles et au moins

40 000 heures pour les applications stationnaires.

Poids et volumes :

Si ces deux aspects ne sont pas une contrainte pour les applications stationnaires, elles le sont pour les

applications portables et surtout automobiles. D'une part, il faut que la pile et le module de stockage de

carburant soient intgrables au vhicule. C'est encore plus dlicat avec un reformeur qui est une usine

gaz intgrer en plus de la pile et o les transferts thermiques devront tre grs. D'autres part, le systme

pile ne doit pas tre trop lourd pour ne pas affecter les performances du vhicule.

1.1.2. Actualit des applications :

La PAC, avec ses caractristiques nergtiques et environnementales intressantes est trs prometteuse

dans bon nombre dapplications, des faibles puissances dans les applications portables aux trs fortes

puissances dans les applications de transport et stationnaires [European].


17

1.1.2.1. Applications portables :

La PAC est utilise pour la premire fois comme une source portable depuis les annes 1960 dans larme

amricaine. Mais le dveloppement significatif est connu seulement depuis les annes 1990. La

croissance rapide du nombre de partenaires durant ces dernires annes rend le domaine des applications

portables le plus actif pour les applications de la PAC [Bruijn]. Environ 3000 nouveaux systmes de PAC

[FC today] ont vu le jour chaque anne pendant ces deux dernires annes. Les PAC ont de plus en plus

dautonomie et sont moins encombrantes. Sur le march actuel, les piles PEMFC (Protons Exchange

Membrane Fuel Cell) sont les plus rpandues mais en terme de R&D, les piles DMFC (Directe Methanol

Fuel Cell) sont aussi attirantes que les piles PEMFC.

Fig. 1.4. PEMFC de Casio pour ordinateur portable

(mars 2002). Autonomie de plus de 24h.

Fig. 1.5. Pile DMFC de Toshiba (2005)

Les figures ci-dessus prsentent deux succs de la PAC pour les applications portables. Lultra compacte

PEMFC utilisant du mthanol de Casio (Fig. 1.4) vise des systmes dordinateurs portables et des

camras digitales. Elle a une mme taille que la batterie lithium mais permet une autonomie 4 fois plus

importante que la batterie. Annonce en 2005, la compagnie japonaise Toshiba a planifi la

commercialisation de la plus petite PAC dans le monde. Avec une taille de 23x75x10 mm (Fig. 1.5) et

seulement 3.5ml mthanol, cette PAC DMFC de 100 mW permet dalimenter un baladeur mp3 de

technologie flash pendant 35h.

Malgr des avancements considrables, la plupart des acteurs dans ce domaine narrivent pas

commercialiser leurs produits comme prvus en 2005. Le militaire reste encore le client principal.

Pourtant, les participants sont trs optimistes pour le futur de la PAC et le moment o nous pourrons

utiliser notre ordinateur portable durant 8h dans lavion approche.


18

1.1.2.2. Applications dans le transport :

Le secteur du transport est un march fort potentiel pour la PAC grce ses caractristiques

intressantes et au dveloppement rapide de la technologie hybride dans les vhicules. En utilisant

lhydrogne comme combustible, le rendement du moteur lectrique PAC est bien meilleur que les

moteurs lessence. Dautre part, la faible mission des gaz de la PAC lui apporte une position trs

concurrente alors que la pollution de lair est devenue un problme important, surtout dans les grandes

villes. De plus, les moteurs silencieux sont un argument supplmentaire pour le transport urbain.

Laugmentation continue du nombre de nouveaux systmes (Fig. 1.6) nous permet davoir une vue

optimiste de ce secteur. Daprs les experts de lindustrie automobile, on espre quun million de voitures

PAC seront commercialises en 2025 [Electric&hybrid].

Fig. 1.6. Nombre de vhicules PAC accumuls travers des annes [FC today]

Fig. 1.7. La FCX de Honda lexposition Tokyo Motor Show 2005

Fig. 1.8. Station dhydrogne


19

Le modle FCX de Honda lexposition Tokyo Motor Show 2005 (Fig. 1.7) est considr comme le

meilleur prototype des voitures hydrogne et est vraiment la voiture de demain. Son moteur 80 kW est

aliment par un gnrateur PAC de 86 kW de technologie PEMFC. Il atteint la vitesse maximale de 150

km/h et parcours un trajet de 300 km avec 3.75 kg dhydrogne compress. La figure 1.8 nous montre une

station dhydrogne pour la FCX de Honda.

1.1.2.3. Applications stationnaires :

Quand nous parlons du vecteur nergtique pour lavenir, nous faisons rfrence des applications

stationnaires parce que cest le secteur qui exige des puissances importantes. La PAC est trs attendue

dans ce domaine et contribuera pour une part importante dans la production dcentralise, la mthode de

production de l'lectricit de lavenir [Joon] [Torrero]. Toutefois, actuellement, la commercialisation de la

PAC ne vise que des utilisations finales et non des grands systmes pour la vente au rseau de

distribution. Il y a plusieurs raisons cela : dune part, le cot reste encore lev par rapport dautres

moyens de production dnergie lectrique qui demandent souvent de grandes puissances. Dautre part,

elle devient beaucoup plus fiable petite taille et sa possibilit de production conjointe dlectricit et de

chaleur est bien adapte aux besoins de lhabitant dun petit quartier. Par consquent, les principales

applications stationnaires se trouvent dans les secteurs commercial, industriel et rsidentiel. Les stations

puissances suprieures de quelques centaines de kilowatts sont trs rares.

Fig. 1.9. Evolution du nombre de systmes puissance suprieure 10 kW travers les annes

Fig. 1.10. Nombre des systmes en pourcentage (%) par

technologie travers les annes

Les figures 1.9 et 1.10 prsentent lvolution des systmes PAC pour les applications stationnaires

puissance suprieure 10 kW en fonction des annes et en fonction des technologies utilises [FC today].


20

1.2. Comportement de la PAC et contraintes sur le

convertisseur EP :

Dans cette partie, nous allons tudier le comportement de la PAC vis--vis des sollicitations en gnie

lectrique ainsi que les contraintes prendre en compte lors de la conception dune interface EP pour

celle-ci. En fait, ce comportement dpend fortement de la constitution de chaque systme de PAC. Il varie

non seulement en fonction de la technologie de PAC mais aussi selon la gamme de puissance, le point de

fonctionnement, ltat de la PAC et lalimentation en combustible et en carburant [Candusso] [Fonts].

Malgr des diffrences quantitatives, les systmes de PAC reprsentent des caractristiques communes.

Nous allons donc les analyser en nous basant sur les rsultats obtenus lors des tudes plutt

lectrochimiques dans la pile.

1.2.1. Comportement lectrique de la PAC :

Ltude du comportement de la PAC nous aide comprendre la nature de la source PAC lors de la

conception du convertisseur. Nous distinguerons la courbe de polarisation statique et le comportement

dynamique.

1.2.1.1. Caractristique statique nature dune source non linaire :

La courbe de polarisation de la figure 1.11 prsente la caractristique dune source de PAC en statique. La

variation du courant et de la tension de la PAC en fonction du niveau de la puissance fournie montre que

la PAC nest ni une source de tension ni une source de courant en statique. En effet, le potentiel

thermodynamique thorique de la pile est de 1,23 V. Cependant, la tension vide varie seulement entre

0,9 et 1,1 V. Cette premire rduction est due lirrversibilit des ractions lectrochimiques,

notamment de la rduction de loxygne la cathode. De plus, pour les faibles densits de courant, des

contre-ractions sur les lectrodes, dont limportance est lie leur cintique, gnrent des surtensions

dactivation. Les pertes dactivation sont plus importantes la cathode qu lanode. Ensuite, pour la

partie relativement linaire de la courbe, ce sont des pertes lies aux rsistances lectroniques et ioniques

internes (pertes ohmiques). Les pertes relatives la circulation des lectrons sont localises dans le

conducteur lectronique des lectrodes, dans les plaques bipolaires et aux interfaces communes

(rsistance de contact). Les pertes relatives au transport des protons se situent dans llectrolyte

constituant la membrane et dans la zone active des lectrodes. Les pertes ohmiques sont principalement

localises dans la membrane. Mais aux fortes densits de courant, ce type de pertes existe galement dans

les lectrodes et leurs jonctions.


21

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Densit de courant, [A/cm]

Ten

sion

, [V

]

Caractristique statique d'une cellule

Fig. 1.11. Courbe de polarisation de la PAC

Enfin, pour les fortes densits de courant, cest la cintique de diffusion des gaz travers les lectrodes et

laccumulation deau dans les pores des lectrodes (noyage) qui conduisent des pertes de diffusion et de

noyage importantes. Ce phnomne est dautant plus prcoce si lon utilise de lair au lieu de loxygne

pur (les 80% dazote passif gne laccs des sites ractifs aux 20% doxygne actif). A partir dune

certaine quantit de courant demande, lalimentation en molcule de loxygne ne peut plus suivre, et la

tension chute rapidement.

Ainsi, la PAC est une source non linaire, ni une source de courant, ni une source de tension. Sa tension et

son courant varient en fonction de la puissance gnre. Cette caractristique est une des raisons

principales de la ncessit davoir une interface EP afin de stabiliser sa tension de sortie.

1.2.1.2. Comportement dynamique nature dune source de tension :

Nous nous intressons dans cette partie au comportement dynamique de la PAC autour dun point

stationnaire en fonction du domaine frquentiel en gnie lectrique. Nous distinguons deux plages de

frquence. La premire est de lordre de quelques dizaines quelques centaines Hz caractrisant la

frquence du courant industriel et ses multiples. La deuxime est de lordre de quelques dizaines de kHz

et est typique des frquences de dcoupage du convertisseur statique.

Pertes dirrversibilit

Pertes dactivation

Pertes ohmiques (transfert de charge)

Pertes de diffusion


22

Le comportement dynamique de la PAC est obtenu en connectant la PAC avec une charge active de

nature dynamique source de courant . En excitant le courant de charge de frquence f et damplitude

iPAC, nous obtenons les variations de tension correspondantes. Plusieurs tudes ont montr que plus la

frquence du courant dexcitation est leve, plus la PAC se comporte comme une source de tension.

Les figures 1.13a, b et c prsentent le comportement dynamique du modle dun stack ELECTROCHEM

dvelopp au LEEI [Fonts]. Nous notons que la variation de la tension est de 6 fois 10 fois plus faible

que celle du courant. Alors, lors de ltude de conception du convertisseur EP, la PAC est considre

comme une source de tension en dynamique.

Fig. 1.13a. Comportement dynamique en fonction de la frquence de modulation f = 1Hz [Fonts]

IPAC

VPAC

t

t

vPAC

iPAC

Fig. 1.12. Illustration du comportement dynamique


23

Fig. 1.13b. Comportement dynamique en fonction de la

frquence de modulation f = 100 Hz [Fonts]

Fig. 1.13a. Comportement dynamique en fonction de la

frquence de modulation f = 10 kHz [Fonts]

1.2.2. Contraintes imposes par la source:

Llectronique de puissance a pour objet de stabiliser et contrler certaines grandeurs lectriques selon les

besoins de la charge. En fonction du cahier des charges et des contraintes imposes par lapplication, les

convertisseurs sont conus, spcifis et optimiss. La PAC, quant elle, possde galement des

contraintes spcifiques dues sa constitution et son principe de fonctionnement. Nous considrons dans

cette partie quelques contraintes spcifiques principales de la PAC que le convertisseur doit satisfaire.

1.2.2.1. Fort courant et faible tension de la PAC :

Chaque cellule de PAC gnre une tension de 0.6 V nominale 1 V vide et une densit de courant

nominale de 0.6 A/cm. Pour obtenir des puissances plus leves, on peut placer plusieurs cellules en srie

pour augmenter la tension ou bien utiliser des surfaces plus grandes afin de monter en courant. Un

ensemble des cellules places en srie est appel un stack (Fig. 1.14). Pour des raisons mcaniques, le

nombre de cellules en srie dans un stack est limit environ 100 cellules, donc cet ensemble aura une

tension nominale autour de 60 V et 100 V vide. Laugmentation de la puissance unitaire d'un stack

ncessite laugmentation de la surface des cellules. Par exemple, la socit Axane a propos deux

gammes de puissance correspondant deux surfaces des plaques de pile. Lune de 80 cm pour fournir

une puissance de 2,5 kW et lautre de 550 cm une puissance de 20 kW. La tension de ces deux gammes

reste dans la mme plage entre 60 V et 100 V. Dans ces conditions, nous voyons bien que nous sommes

dans le domaine fort courant et faible tension.


24

Fig. 1.14. Mise en srie des cellules pour raliser un stack.

1.2.2.2. Faible ondulation du courant dbit :

Lors de la prsentation du comportement dynamique de la PAC, nous avons vu quune faible ondulation

de la tension est assure mme avec une ondulation relativement forte du courant. Par contre, afin de ne

pas endommager la PAC ainsi que sa dure de vie, cette ondulation du courant doit tre limite une

faible valeur car elle dgrade le rendement de la pile. De plus, dans sa thse, Guillaume Fonts [Fonts] a

montr quune ondulation de 200% du courant peut causer 35% de pertes supplmentaire dans la

membrane par rapport au cas dun courant continu sans ondulation. Ces pertes additionnelles sont

ngligeables lorsque londulation du courant fourni par la pile est infrieure 10%.

Fig. 1.15. Pertes supplmentaires dans la membrane

en fonction de londulation du courant de dcoupage [Fonts]


25

1.2.2.3. Rponse des variations de charges :

La puissance lectrique fournie par la pile est fonction du dbit des gaz. Alors que lhydrogne est

souvent pr-produit et stock sous forme dhydrogne pur, le carburant (l'oxygne) est souvent pris dans

lair ambiant par un compresseur. De ce fait, la constante de temps de la PAC lors des appels de charge de

type chelon est limite par la dynamique mcanique du compresseur. Les figures 1.16 et 1.17 montrent

des exemples de lvolution de la tension lors de linterruption du courant et lors dune succession

dchelons de courant. Nous remarquons une constante de temps de lordre de quelques dizaines de

millisecondes. Pour chaque systme de pile, la dure de ce rgime transitoire dpend essentiellement du

point de fonctionnement et de lamplitude des chelons. Elle peut durer jusqu quelques secondes voire

plus longtemps. Ce dlai peut aussi tre expliqu par lanalyse de lvolution de la rsistance des zones de

diffusion et dactivation comme montre dans les figures 1.19 et 1.20.

Fig. 1.16. Evolution de la tension lors dune interruption de courant [Fonts]

Fig. 1.17. Evolution de la tension de la PAC lors

dune succession des chelons de courant [Fonts]

Fig. 18a. Zoom de la figure 1.17 [Fonts]

Fig. 18b. Zoom de la figure 1.17 [Fonts]


26

Fig. 1.19. Evolution de la rsistance de diffusion

[Fonts]

Fig. 1.20. Evolution de la rsistance dactivation

[Fonts]

1.3. Prsentation de deux gammes de puissance de PAC :

Dans le cadre des forts investissements au niveau international dans la recherche et le dveloppement

dans le domaine de pile combustible, deux projets de recherches ont t proposs avec la participation

de plusieurs acteurs franais : le projet PACo [PAC8000] et le projet europen FEBUSS [FEBUSS]. La

socit AXANE Air liquide est leader sur ces deux projets en proposant les systmes pile combustible.

Le LEG y participe en s'intressant la conception de linterface lectronique de puissance reliant la pile

et la charge. Lobjectif principal pour le LEG est doptimiser lassociation du systme de PAC avec le

systme dlectronique de conversion. Dans ce contexte, 3 thses ont t ralises au LEG. La thse de

Denis CANDUSSO soutenue en 2002 [Candusso] s'est concentre sur la modlisation physicochimique de

la pile, des composants de stockage ainsi que sur lhybridation d'un groupe lectrogne PAC pour

lalimentation dun vhicule. La thse de Ianko VALERO EXPOSITO soutenue en 2004 [Ianko], quant

elle, vise essentiellement la construction du systme de contrle commande du convertisseur

lectronique de puissance en tenant compte de linteraction avec la PAC et la charge. La thse de

Guillaume LEFEVRE soutenue en 2005 [Lefvre01] a propos des modles de dimensionnement et de

pertes des composants du convertisseur ainsi que des structures isoles pour la conversion DC/DC.

L'apport de cette thse reposera sur loptimisation de larchitecture de lensemble du systme de

conversion dlectronique de puissance.


27

1.3.1. Contexte de recherche : projets PACo et FEBUSS

1.3.1.1. Cahier des charges du projet PACo :

Le module AuxiPAC du projet PACo [PAC8000] consiste en la conception de linterface EP pour une

gamme moyenne puissance visant, entre autres, des applications de tlcommunications (alimentation de

relais GSM). En effet, plusieurs stacks de 2.5 kW sont associs afin dobtenir des puissances de 2.5 kW, 5

kW, 7,5 kW ou 10 kW. Chaque stack se compose de 100 cellules de 80 cm pouvant fournir une tension

de 60V au point nominal. La tension vide tant de 100V. La pile utilise de l'hydrogne stock sous

pressions dans des rservoirs spcifiques comme combustible tandis que loxygne est pris directement

dans lair ambiant au moyen d'un compresseur. La dure de vie de la pile est attendue au moins

8000h. D'autre part, les stacks sont connects directement avec le convertisseur DC-DC et londulation du

courant dbit par la PAC est limit 10%. La tension dsire la sortie du convertisseur est de 48V DC

avec une ondulation de tension infrieure 10%.

1.3.1.2. Cahier des charges du projet europen FEBUSS :

Le projet europen FEBUSS [FEBUSS] concerne la construction dun gnrateur PAC visant des

applications stationnaires et de transports. Ce gnrateur utilise des stacks de technologie PEM. En ce qui

concerne lalimentation du combustible et du carburant, lhydrogne pur est stocke sous forme pression

tandis que loxygne est pris dans lair de ambiant. La dure de vie de la pile est d'environ 5000h. Dans ce

champ dapplication, la puissance dsire est de lordre de 100kW. Ce niveau de puissance est obtenu par

association de plusieurs stacks de 20 kW. Chaque stack se composant de 100 cellules de 550 cm, il

fournit sa sortie une tension de 60V nominal et de 100V vide. Les stacks de PAC seront connects

directement avec le convertisseur DC-DC. La tension de sortie dsire est voisine de 700V. Londulation

du courant d'entre et de sortie est limite une valeur infrieure 10%.

1.3.2. Architecture du systme des convertisseurs

Larchitecture du systme des convertisseurs sera un des sujets principaux de cette thse. Nous

l'aborderons sur les deux aspects suivants : les modes de connexion des convertisseurs avec les sources et

la charge ainsi que le choix de structures de conversion adaptes.

1.3.2.1. Modes de connexion :

Comme nous l'avons mentionn dans le cahier des charges, dans chaque projet, nous utiliserons des stacks

de PAC de puissance modulaire de 2,5 kW ou de 20 kW pour les associer de manire obtenir des

puissances plus leves. Il existe videmment plusieurs modes de connexion de ces stacks avec le


28

convertisseur en assurant une mme alimentation vue de lextrieur du systme. Avant danalyser en

dtail larchitecture de chaque gamme de puissance, nous allons prsenter dans ce paragraphe les

gnralits sur les deux modes de connexions les plus rencontrs :

- la mise en parallle de la sortie des convertisseurs

- la mise en srie de la sortie des convertisseurs

La mise en parallle des stacks de PAC est dconseille cause de l'impossibilit de contrler la

rpartition du courant entre les stacks.

a) Mise en parallle de la sortie des convertisseurs : Dans ce mode de connexion [Viet 03], un ou plusieurs stacks de PAC seront mis en srie et lensemble des

stacks sera raccord avec un convertisseur. La sortie des convertisseurs sera mise en parallle. La figure

1.21 montre une configuration avec n stacks mis en srie et connects avec un convertisseur. La sortie du

g groupes de convertisseur PAC est, en suite, mis en parallle.

Ce mode de couplage apparat intressant du point de vue de la modularit. En effet, laugmentation de la

puissance totale est faite par laddition des modules en parallle. Donc, avec un mme nombre de n stacks

en srie en entre, les systmes de diffrentes puissances (variation de g) ont le mme dimensionnement

qui est celui du module de n stacks en srie. De plus, le systme est plus fiable car la dfaillance dun

module ne conduit pas larrt total du systme.

b) Mise en srie de la sortie des convertisseurs :

Ce mode de connexion consiste la mise en srie de la sortie des convertisseurs. En entre du

convertisseur, un ou plusieurs stacks peuvent tre mis en srie. La figure 1.22 illustre cette configuration

avec n stacks mis en srie en entre de chaque convertisseur et g convertisseurs mis en srie la sortie.

n

g

Structure unitaire

Structure unitaire

Fig. 1.21. Mise en parallle de la sortie des convertisseurs

Vs


29

Cette topologie permet de rduire la tension de sortie de chaque structure et peut tre intressante dans le

cas o la tension de sortie est leve. Par contre, elle apparat moins flexible que la prcdente du point de

vue de la modularit. En effet, le dimensionnement du convertisseur doit tre refait pour chaque niveau de

puissance. De plus, afin damliorer la fiabilit de lensemble du systme, le mode by-pass et le

dimensionnement de chaque convertisseur doivent tre prvus en tenant compte la dfaillance dun des g

groupes.

Ainsi, le mode de connexion influence non seulement la puissance de chaque convertisseur mais encore

les contraintes imposes comme la tension, le courant de dimensionnement et par consquent, les

performances du convertisseur. Lintrt de chacune dpend fortement du cahier des charges concret.

Nous allons en discuter dans les deux paragraphes suivants pour les deux gammes de puissance.

1.3.2.2. Gamme moyenne puissance :

La gamme moyenne puissance utilise des modules de 2,5kW afin de concevoir des systmes de puissance

de 2,5kW, 5kW, 7,5 kW et 10 kW. Les contraintes en tension en entre et en sortie imposent un

convertisseur dabaisseur. En effet, la tension minimale en entre est de 60V (pour le cas dun stack

puissance nominale) 400V (pour le cas de 4 stacks en srie et vide) tandis que la tension de sortie est

dsire 48 V.

Fig. 1.23. Hacheur srie entrelac

n

g

Structure unitaire

Structure unitaire

Fig. 1.22. Mise en parallle de la sortie des convertisseurs

Vs


30

a) Structures envisageables :

En tenant compte du niveau de puissance et de la gamme de tension, le BUCK entrelac apparat le mieux

adapt. Dune part, cette structure est assez robuste et dautre part, elle est trs intressante lorsque lcart

entre la tension d'entre et de sortie nest pas trop grand. Par contre, il existe des inconvnients que nous

devons rsoudre tel que le filtrage du courant d'entre. En effet, londulation du courant d'entre est

cause par la commutation des transistors. Cette ondulation est en gnral forte et le filtrage en entre

peut tre difficile. Pour contourner ce problme, la technique de lentrelacement peut tre utilise. Elle

permet non seulement de rduire le courant moyen dans chaque branche, donc de rsoudre le problme de

fort courant, mais encore facilite le filtrage en entre. De plus, le convertisseur est plus fiable : le dfaut

dune branche ne conduit pas larrt du systme. Nous allons approfondir l'influence que cela sur le

dimensionnement ainsi que les intrts et les limites de cette technique de lentrelacement dans le chapitre

2. La recherche dune structure optimale conduira la recherche du nombre de branches dentrelacement

optimal.

b) Modes de connexion envisageables :

Le mode de connexion envisageable pour cette gamme de puissance est la mise en parallle de la sortie

des convertisseurs. La mise en srie de la sortie des convertisseurs nest pas aussi intressante pour

diffrentes raisons :

- la tension de dimensionnement est la tension en entre. Donc, la diminution de la tension de sortie

napporte aucun intrt.

- labaissement de la tension de sortie agrandit lcart entre la tension en entre et en sortie de

chaque convertisseur lmentaire.

Par consquent, la recherche dune configuration optimale consistera en trouver le nombre n de stacks

placer en srie. Pour cela, nous allons comparer les performances du systme de conversion en faisant

varier le nombre de stacks en srie de 1 4 pour chaque niveau de puissance.

1.3.2.3. Gamme forte puissance :

Dans la gamme forte puissance, ce sont des stacks de 20kW raliss l'aide de 100 cellules de 550cm2 qui

sont utiliss. L'application vise tant l'alimentation de charges triphases 400V, la tension de sortie du

convertisseur DC/DC devra tre au minimum de 700V. Cela impose que, quelque soit la puissance mise

en jeu, la structure de ce convertisseur devra tre lvatrice car mme dans le cas 100kW la tension

n'excdera pas 500V (rgime vide de 5 stacks en srie).

a) Structures lvatrices envisageables : Les structures lvatrices apparaissent plus diverses car il existe des structures isoles ainsi que non

isoles [Viet02]. Des tudes sur les structures isoles ont dj t menes [Li] [Ivanes02] [Lefvre02]. Ces


31

structures offrent des solutions afin de faire face au problme de fort gain de tension. Lintroduction de la

commutation douce amliore le rendement du convertisseur en profitant de linductance de fuite du

transformateur. Toutefois, mme si les structures isoles permettent une grande souplesse dans les choix

des tensions, il est plus intressant dutiliser des structures non isoles si elles garantissent les

performances. C'est pourquoi, nous allons nous intresser dans cette tude aux structures lvatrices non

isoles que l'on retrouve sous le nom de BOOST. Plusieurs variantes existent : le BOOST classique

entrelac (fig. 1.24), le double BOOST entrelac (fig. 1.25) et un nouveau convertisseur propos baptis

double BOOST dual entrelac (fig. 1.26). Ces structures, quant elles, rpondent bien aux contraintes de

cette gamme de puissance. En effet, le nombre de branches dentrelacement de ces structures n'est pas

limit et permet de mieux sadapter avec la contrainte de fort courant. D'autre part, la nature inductive de

lentre du convertisseur facilite le filtrage en entre. Par contre, ces structures doivent faire face la

contrainte dun fort rapport de tension lorsquune tension de 700 V est dsire la sortie avec une tension

en entre de 60 V. Cette difficult est lorigine d'une la nouvelle structure que nous proposons, le double

BOOST dual entrelac.

Fig. 1.24. BOOST entrelac 2 branches

Fig. 1.25. Double BOOST entrelac


32

Fig. 1.26. Double BOOST dual entrelac (IDD BOOST)

b) Modes de connexion envisageables : Pour cette gamme de puissance, les deux modes de raccordement des convertisseurs lmentaires sont

envisageables. En effet, lintrt de la mise en parallle de la sortie est toujours la flexibilit du point de

vue de la modularit. Par contre, les exigences en tension peuvent dgrader les performances de

lensemble du systme et la mise en srie de la sortie permet, quant elle, de les adoucir. Pourtant, les

inconvnients que cette mise en srie implique dans le dimensionnement et la fiabilit du convertisseur

complet ainsi raliss sont des limites. Nous allons, dans le chapitre 3, tudier et comparer de faon

approfondie les structures des convertisseurs unitaires ainsi que les possibilits de les connecter.

1.4. Conclusion :

Ce chapitre introductif nous permet de prsenter le contexte de l'tude. D'un ct une source d'nergie

lectrique aux performances prometteuses mais qui ncessite la mise en uvre d'une interface

d'lectronique de puissance pour adapter ces caractristiques la charge. De l'autre, des intrts

conomiques qui obligent le concepteur de l'interface concevoir des produits qui soient la fois

gnriques tout en garantissant le meilleur rendement. De ce constat est ne l'ide d'une approche

modulaire de la conception du convertisseur. Cela sous entend le choix d'une structure unitaire optimale

pour une gamme de puissance et des modes d'interconnections de ces structures unitaires permettant de

garantir fiabilit et bon rendement l'ensemble. Les deux chapitres qui vont suivre vont tre entirement

consacrs cette tude. Ainsi le chapitre 2 traitera du cas moyenne puissance en posant les bases

permettant la comparaison des diffrentes solutions proposes et une structure optimale sera propose

pour la gamme moyenne puissance. Le chapitre 3, quant lui, sera consacr la gamme forte puissance.

Il sera aussi l'occasion d'tudier la nouvelle structure lvatrice propose savoir le double BOOST dual

entrelac.


33

CHAPITRE 2

CONVERTISSEURS DE MOCONVERTISSEURS DE MOCONVERTISSEURS DE MOCONVERTISSEURS DE MOYENNE PUISSANCEYENNE PUISSANCEYENNE PUISSANCEYENNE PUISSANCE ::::

Modles de pertes et technique de lentrelacement


34

Table des matires du chapitre 2

2.1. Modles de pertes des composants : ------------------------------------------------------------36

2.1.1. Modles de pertes des semi conducteurs :------------------------------------------------------- 36 2.1.1.1. Constitution des SC : ---------------------------------------------------------------------------------------- 36 2.1.1.2. Modle des pertes dune cellule de commutation : ------------------------------------------------------ 38

2.1.2. Modle de pertes des inductances : --------------------------------------------------------------- 42 2.1.2.1. Dimensionnement des inductances :----------------------------------------------------------------------- 42 2.1.2.2. Mthode des plaques de Dowell : -------------------------------------------------------------------------- 43 2.1.2.3. Mthode de Dowell applique dans une inductance torique : ------------------------------------------ 46 2.1.2.4. Pertes fer des inductances : --------------------------------------------------------------------------------- 49 2.1.2.5. Dimensionnement optimal des inductances : ------------------------------------------------------------- 50

2.1.3. Modle de pertes des condensateurs :------------------------------------------------------------ 53

2.2. Technique de lentrelacement : -----------------------------------------------------------------53

2.2.1. Inductances de sortie : ------------------------------------------------------------------------------ 54


2.2.3. Dimensionnement global du hacheur entrelac : ---------------------------------------------- 58 2.2.3.1. Inductances principales:------------------------------------------------------------------------------------- 58 2.2.3.2. Transistors : --------------------------------------------------------------------------------------------------- 59 2.2.3.3. Diodes :-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59 2.2.3.4. Condensateur de sortie:-------------------------------------------------------------------------------------- 59 2.2.3.5. Filtre LC en entre au ct des transistors :--------------------------------------------------------------- 59

2.3. Optimisation de la structure rpartition des pertes :---------------------------------------60

2.3.1. Dimensionnement et pertes dans les inductances : -------------------------------------------- 60

2.3.2. Stratgie de choix et pertes des semi conducteurs : ------------------------------------------- 62

2.3.3. Rpartition des pertes dans les convertisseurs: ------------------------------------------------ 67

2.4. Conclusion :----------------------------------------------------------------------------------------69


35

objectif de ce chapitre est de dterminer une architecture optimale de conversion pour la

gamme moyenne puissance. Pour cela, nous commencerons par la construction des modles de

pertes dans les composants qui sont principalement les semi conducteurs, les composants

bobins et les condensateurs. Ces modles de pertes constituent une partie fondamentale afin dvaluer les

performances des structures non seulement pour la gamme moyenne puissance mais aussi pour la gamme

forte puissance qui sera aborde dans le chapitre 3.

Le chapitre se poursuit avec ltude approfondie de la technique de lentrelacement. En effet, cette

technique est une solution efficace pour rsoudre le problme de fort courant impos par la pile mais elle

modifie les formes donde du courant et de la tension des composants. Le dimensionnement de ceux-ci

nest plus vident comme dans les structures de base une branche. En analysant les effets de cette

technique, nous pouvons construire le lien entre le dimensionnement de la structure de base avec celui de

la structure entrelace. En suite, nous allons dimensionner globalement le hacheur srie entrelac selon le

cahier des charges donn dans le chapitre prcdent.

Le choix des semi conducteurs est dlicat cause non seulement de la diversit de leur technologie, de

leurs caractristiques mais encore de leur cot. Nous allons discuter de ces aspects avec la cahier des

charges de la gamme moyenne puissance afin davoir une stratgie de choix des SC raisonnable.

Aprs avoir dimensionn le convertisseur, choisi des composants SC, nous tudierons, en appliquant les

modles de pertes des composants, la contribution des pertes de chaque composant ainsi que danalyser la

rpartition des pertes dans celui-ci. Ces rsultats seront les arguments afin dvaluer le rle et les

caractristiques importantes des composants lors de la conception dun convertisseur.

Enfin, nous arriverons la conclusion dune structure optimale de linterface dlectronique de puissance.


36

2.1. Modles de pertes des composants :

Les pertes dans les composants dun convertisseur sont toujours une des proccupations des concepteurs

lors de la phase de conception. Elles affectent bien videmment le rendement du systme mais ce nest

pas le seul inconvnient. Une augmentation des pertes se traduit par la mise en place d'un systme de

refroidissement plus important et donc par une augmentation du volume et du poids. Si les composants ne

sont pas refroidis correctement, lchauffement dgradera les caractristiques de ceux-ci et pourra

conduire un fonctionnement incorrect du systme. De plus, ce systme de refroidissement peut tre plus

lourd et plus encombrant que lensemble des parties lectriques et lectroniques du convertisseur do la

ncessit de correctement le dimensionner en utilisant des modles de pertes dans les composants

suffisamment fins.

Ce paragraphe se concentrera sur la construction des modles de pertes des composants principaux du

convertisseur : les inductances, les semi conducteurs et les condensateurs. Malgr lexistence des modles

danalyse permettant dtudier finement le comportement des composants, nous allons construire des

modles de conception qui sont applicables et pratiques lors de la phase de conception. Ceci est expliqu

par le fait que les modles danalyse sont souvent coteux en temps de calcul et exigent des donnes

souvent inaccessibles pour le concepteur. Les modles de pertes pour la conception du convertisseur

doivent assurer une prcision suffisante et tre relativement simple afin dobtenir des rsultats viables tout

en permettant des calculs rapides. De plus, les entres demandes doivent tre dans le catalogue fourni

avec le produit par le constructeur.

2.1.1. Modles de pertes des semi conducteurs :

Nous allons construire les modles de pertes des interrupteurs de base en lectronique de puissance :

MOSFET, diode et IGBT. Ce sont aussi des semi conducteurs que nous utiliserons dans nos applications.

Lors de ltude des pertes des interrupteurs, il est invitable danalyser le fonctionnement dune cellule

MOS diode car llectronique de commutation nest rien dautre que la combinaison de deux semi

conducteurs commutant entre eux. A partir de leur comportement, nous arriverons former les modles

de pertes.

2.1.1.1. Constitution des SC :

a) MOSFET :

Depuis sa prsence sur le march des composants discrets en 1976, son utilisation dans le domaine

dlectronique est fortement rpandue. Il peut remplacer les composants bipolaires dans la gamme

moyenne tension (jusqu 500V) et moyenne puissance (de quelques kilowatts) grce ses qualits :


37

- Commande en tension donc faible nergie de commande.

- Grande vitesse de commutation grce labsence de stockage des porteurs minoritaires.

- Robuste grce la forte capacit de surcharge et labsence du phnomne de second claquage.

- Le coefficient de temprature de la rsistance Rds(on), tant positif, offre une grande facilit dans la

mise en parallle et donc augmente la puissance transite.

La structure reprsentative dun MOSFET dans la figure 2.1 explique son principe de fonctionnement. En

effet, lorsque lon applique une tension Vgs entre la grille et la source suprieure une tension de seuil

Vth, un canal est cr et relie les deux zones N+ et N-. Cela permet

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