Architecture de convertisseur statique tolérante aux

UNIVERSITE PARIS-SUD
ÉCOLE DOCTORALE :
Sciences et Technologies de l'Information des Télécommunications et des
Systèmes
Thèse réalisée au sein de
L’Institut français des sciences et technologies des transports, de
l’aménagement et des réseaux (IFSTTAR-LTN)
Et du Laboratoire de génie électrique de Paris (LGEP)
DISCIPLINE
PHYSIQUE
THÈSE DE DOCTORAT
soutenue le 17/12/2012
par
Emmanuel FRAPPÉ
Architecture de convertisseur statique tolérante
aux pannes pour générateur pile à combustible
modulaire de puissance-traction 30kW
Directeur de thèse : Gérard COQUERY Directeur de recherche (IFSTTAR-LTN)
Co-directeur de thèse : Claude MARCHAND Professeur des Universités (Paris-Sud)
Composition du jury :
Président du jury : Daniel HISSEL Professeur des Universités (Franche-Comté)
Rapporteurs : Philippe LE MOIGNE Professeur des Universités (École Centrale de Lille)
Christophe TURPIN Chargé de recherche (LAPLACE)
Examinateur : Stéphane LEFEBVRE Professeur des Universités (CNAM)
Encadrant : Alexandre DE BERNARDINIS Chargé de recherche (IFSTTAR-LTN)
Co-Encadrant : Olivier BETHOUX Maître de conférences (Paris-Sud)

II
Remerciements
Ces travaux ont été menés à l’Institut Français des Sciences et Technologies des Transports,
de l’Aménagement et des Réseaux au sein du Laboratoire des Technologies Nouvelles et en
partenariat avec le Laboratoire de Génie Électrique de Paris. Ils ont été financés par une
allocation de recherche de l’IFSTTAR.
Mes remerciements vont à tous ceux qui m’ont soutenu et encouragé tout au long de ce travail
de thèse.
Je souhaite avant tout remercier mes directeurs de thèse : M. Gérard COQUERY, Directeur de
recherche, Directeur de l’IFSTTAR-LTN, pour m’avoir accueilli au sein de son laboratoire, et
M. Claude MARCHAND, Professeur à l’Université de Paris-Sud.
Je tiens ensuite à remercier les membres du jury de thèse :
M. Daniel HISSEL, Professeur à l’Université de Franche-Comté et directeur du FCLAB à
Belfort, pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury.
M. Philippe LE MOIGNE, Professeur à l’école centrale de Lille, et M. Christophe TURPIN,
Chargé de recherche au LAPLACE Toulouse, pour avoir accepté d’être les rapporteurs du
mémoire et pour leurs différentes remarques concernant mes travaux.
M. Stéphane LEFEBVRE, Professeur au CNAM, pour avoir accepté d’examiner mes travaux.
Enfin, je souhaite particulièrement remercier mes deux encadrants : M. Alexandre DE
BERNARDINIS, Chargé de recherche à l’IFSTTAR-LTN, et M. Olivier BETHOUX, Maître
de conférences à l’Université de Paris-Sud, pour m’avoir suivi et conseillé tout au long de ce
travail, mais aussi pour m’avoir soutenu et permis d’aller jusqu’au bout de ce travail.
Je tiens aussi à témoigner ma reconnaissance envers ceux qui m’ont côtoyé au quotidien :
Les doctorants du LTN, avec lesquels des litres de café ont coulés :
- Stéphane BUTTERBACH, qui a partagé mon bureau tout le temps, et qui m’a suivi de
Saint Nazaire.
- Abdelfatah KOLLI, deuxième collègue de bureau et compagnon de « pause clope ».

II
- Jean-Pierre OUSTEN, le « vieux » doctorant pour sa sympathie et les longues
discussions. Courage pour la rédaction, tu vas y arriver !
- Souad BACHTI, LA doctorante, Jeff MOUSSODJI et Benoît THOLLIN, pour leur
bonne humeur, les échanges et le temps passé ensemble.
A tous, courage pour la pour la fin de votre thèse, et bonne chance pour la suite.
Et le personnel de l’ISFTTAR-LTN, pour les échanges que j’ai pu avoir. Je me dois de citer
M. Laurent DUPONT avec qui j’ai beaucoup échangé, bu beaucoup de café et qui a été aussi
un compagnon de « pause clope », ainsi que Richard LALLEMAND pour sa bonne humeur et
ses conseils avisés en électronique de puissance.
Pour finir, je souhaite remercier ma famille et mes proches qui m’ont toujours encouragé tout
au long de ces longues études. Et particulièrement mon amie, Amélie, pour m’avoir soutenu,
poussé, engueulé pour que j’arrive au bout.

III
Résumé
Dans l’objectif d’une augmentation en puissance des piles à combustible pour satisfaire les
besoins énergétiques des applications embarquées, une solution consiste à augmenter la taille
des assemblages. Dès lors, des problèmes de disparités fluidique, thermique et électrique
peuvent survenir dans le cœur des piles et conduire ainsi à l’apparition de défaut. La pile à
combustible, de par sa nature de source électrique basse tension – fort courant, requiert d’être
couplée au réseau électrique embarqué par l’intermédiaire d’un convertisseur statique. Ce
dernier peut alors être employé pour agir de façon corrective sur la pile et aussi de corriger les
défaillances qui en sont liées.
Dans cette perspective, le convertisseur doit avoir en permanence un retour sur l’état de santé
de la pile. Pour cela, une méthode de détection et d'identification de défaut de type noyage et
d’assèchement pour une pile du type PEMFC a été approfondie. Cette méthode simple,
économique en capteurs, se base sur la mesure de 3 tensions de cellule judicieusement
sélectionnées et localisées sur la pile. Ainsi, l’utilisation de l’information « spatiale », qui
correspond à la position de la mesure de tension dans la pile permet d’identifier les défauts.
Le principe de la détection localisée nous amène alors à considérer le concept de pile
segmentée qui consiste à séparer électriquement la pile en 3 parties de façon à ce que des
convertisseurs associés puissent agir électriquement sur chaque segment. L’action peut être du
type tout ou rien, ou contrôlée. Cette dernière offre davantage de degrés de liberté, et est
moins contraignante pour la pile d’un point de vue électrique.
Pour choisir comment réaliser cette action, une étude comparative de plusieurs topologies de
convertisseur est effectuée. Les structures alimentées en courant répondent au mieux aux
contraintes électriques d’une PEMFC et sont donc privilégiées, de même que la nécessité
d’une isolation galvanique imposée par la segmentation de la pile. Au final, une topologie de
BOOST isolé résonant est apparue comme étant la topologie répondant au mieux à l’ensemble
des critères (plage de fonctionnement, performances énergétiques, nombre de composants).
L’ensemble convertisseur global intègre ainsi trois structures unitaires qui permettent d'offrir
une modularité, une action indépendante sur chaque segment et de garantir une disponibilité
du système grâce à un fonctionnement dégradé. Pour cela, la stratégie de commande de
l’ensemble convertisseur intègre les informations issues de la méthode de détection.
La thèse se termine avec le dimensionnement complet d’un pré-prototype du convertisseur
avec le choix des composants actif et passifs, et du système de refroidissement associé.