Etude des stratégies et des structures de commande pour le

N° d’ordre : 2132 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 grade de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Ecole doctorale : Systèmes
Spécialité : Systèmes Automatiques
par
Jérôme LACHAIZE
Ingénieur ENSEEIHT
DEA Systèmes Automatiques
Soutenue le 20 septembre 2004 devant le jury composé de :
M.Pierre BORNE Rapporteur, Président
M.Jean Marie KAUFFMANN Rapporteur
M.Thierry MONTANIE Examinateur
M.Pascal SCHOTT Examinateur
M.Maurice FADEL Examinateur, Directeur de thèse
M.Stéphane CAUX Examinateur, Co-directeur de thèse
Etude des stratégies et des structures de commande
pour le pilotage des systèmes énergétiques à Pile à
Combustible (PAC) destinés à la traction.

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RESUME
Ces travaux s’inscrivent dans le projet COPPACE (COntribution au Pilotage de Pile A
Combustible Embarquée) menés par ALSTOM en partenariat avec le LEEI-INPT et le CEA.
et cofinancés par l’ADEME.
L'étude porte sur la modélisation et la commande d’un système PAC (débit, pression ,
température) et sur la définition des lois de commandes des convertisseurs statiques associés à
la chaîne de traction.
Nous développons ensuite une stratégie de gestion d’énergie en considérant des
critères comme la consommation d’hydrogène ou l'énergie stockée dans les
supercondensateurs.
Chaque étape est vérifiée par simulation globale suivant un profil de mission
spécifique et un modèle précis de PAC que nous avons ensuite simplifié pour réduire le temps
de calcul. Le contrôle de ce système est définit par un traitement séparé des composants, au
service de la fonction globale.
Les résultats de simulations montrent que le système peut suivre la demande de puissance
tout en contrôlant les éléments critiques.
Mots Clés
• Modélisation • Pile à combustible • Gestion d’énergie
• Commande par découplage • Stockage d’énergie • Convertisseur statique
Abstract
This work falls into project COPPACE (Contribution to the Control of Embedded Fuel
cell) carried out by ALSTOM in partnership with the LEEI-INPT and the CEA. and supported
by the ADEME.
The study deals with the modelling and the control of a Fuel Cell system (flow, pressure,
temperature) and the definition of the control laws for the static inverters associated with the
traction of power train.
We develop then a strategy of management of energy by taking into account the criteria
of the hydrogen consumption or energy stored in the ultracaps.
Each step is verified by total simulation according to a specific profile of mission and a
precise model of fuel cells which has been simplified to reduce the computing time. The
control of this system is defined by a separate treatment of the components, to finalize the
total function objective.
The results of simulations show that the system can follow the requested power while
controlling the critical elements.
Keywords
• Modelling • Fuel Cell • Energy management
• Decoupling control • Energy Storage • Static converter

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AVANT-PROPOS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du groupe CODIASE
(COmmande et DIAgnostic des Systèmes Electriques) du LEEI (Laboratoire
d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle) de l’ENSEEIHT et du département
recherche d’ALSTOM Transport. Ces travaux ont été réalisés en étroite collaboration avec le
CEA/LHPAC de Grenoble.
Cette thèse a pu être menée à bien grâce au soutien financier de l’ADEME (Agence De
l’Environnement et de la Maîtrise d’Energie) et d’ALSTOM Transport qui ont cofinancé ma
bourse de recherche.
J’exprime une très grande gratitude à Monsieur Maurice FADEL directeur de thèse et
Monsieur Stéphane CAUX co-directeur de thèse. J’ai éprouvé un réel plaisir à travailler
avec eux, leurs conseils toujours justes et judicieux ont été d’une aide précieuse.
Je remercie particulièrement Monsieur Laurent NICOD et Monsieur Thierry
MONTANIE, chefs de projets ALSTOM Transport, de m’avoir permis de mener ces travaux
de recherche. Je voudrais les remercier pour leurs soutiens permanents et leurs grandes
disponibilités.
Je remercie Monsieur Pascal SCHOTT, Ingénieur du CEA, pour ses conseils judicieux
et sa grande disponibilité.
Je remercie Monsieur Stéphane BISCAGLIA, Ingénieur ADEME, qui a suivi mes
travaux de recherche.
J’adresse également mes remerciements à tous les membres du jury pour l’honneur
qu’ils me font en participant à l’évaluation de ce travail :
− Monsieur Pierre BORNE, Professeur à ECOLE CENTRALE DE LILLE
− Monsieur Jean-Marie KAUFMANN, Professeur à UTBM
− Monsieur Thierry MONTANIE, Ingénieur ALSTOM Transport
− Monsieur Pascal SCHOTT, Ingénieur CEA
− Monsieur Maurice FADEL, Professeur à l’ENSEEIHT
− Monsieur Stéphane CAUX, Maître de Conférences à l’ENSEEIHT
et particulièrement Messieurs Pierre BORNE et Jean-Marie KAUFMANN qui ont
accepté la charge d’être rapporteur.
Je réserve une pensée toute particulière aux collègues qui ont croisé ma route tout au
long de ces trois années et qui ont su maintenir une ambiance chaleureuse et détendue :
Laurent, Rémi, Nicolas, Guillaume, Lauric, Cédric, Sylvain, Frédéric.