Rémi SAISSET - Thèses INP Toulouse

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

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RESUME
Cette thèse constitue une contribution à l'étude des systèmes de conversion d'énergie
électrique avec composants électrochimiques. La démarche retenue, systémique, exploite le
caractère unifiant du formalisme Bond Graph pour modéliser tous les composants et les
systèmes étudiés. Un état de l'art des composants électrochimiques de stockage et de
production décentralisée d'énergie électrique met en exergue des phénomènes communs en
vue d'une « modélisation générique orientée système ». Les modèles de piles à combustible
(PAC) à oxyde solide (SO) ou à membrane polymère échangeuse de protons (PEM) et
d'accumulateurs Lithium-Ion, spécifiquement développés en collaboration avec des
spécialistes de l'électrochimie, représentent explicitement au niveau macroscopique les
phénomènes de conversion, réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique,
thermodynamique, électrique et thermique. Ces modèles sont exploités pour étudier la
modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les
associations série ou parallèle de piles à combustible. La démarche est ensuite appliquée à
l'étude des architectures et de la gestion d'énergie de groupes électrogènes à PAC-PEM et à
stockage en accumulateurs ou en supercondensateurs. Les notions de pilotage de la PAC « en
tension », « en courant » ou « au fil de la consommation » sont définies et étudiées. Des essais
de caractérisation et de fonctionnement menés sur des dispositifs expérimentaux spécialement
réalisés valident les résultats théoriques. Pour finir, une étude originale de gestion d'énergie
globale, menée sur le véhicule solaire « Solelhada », illustre la pertinence de la démarche sur
un système complexe, photovoltaïque, autonome et mobile, modélisé dans son ensemble.
Mots Clés
• Modélisation • Pile à combustible
• Systémique • Accumulateur Lithium-Ion
• Bond Graph • Groupe électrogène
• Stockage électrochimique • Générateur photovoltaïque
ABSTRACT
This thesis is a contribution to the study of electric power conversion systems including
electrochemical devices. A systemic approach draws advantage of the unified Bond Graph
formalism in order to model every component as well as the whole system. A state of the art
of electrochemical devices for decentralised electric energy generation and storage put
emphasis on common phenomena with the aim of developing “system oriented” generic
models. Solid Oxyde and Proton Exchange Fuel Cells (SOFC, PEMFC), as well as Lithium

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Ion batteries, have been modelled through an efficient work with electrochemistry specialists.
These models involve an explicit representation, at a macroscopic level, of conversion and
irreversible phenomena linked to the chemical reaction and coupled together both in the
hydraulic, chemical, thermodynamic, electric and thermal fields. These models are used to
study the modularity of the components, particularly the electric and thermal imbalances in
the series and parallel fuel cells associations. The systemic approach is also applied to the
study of architectures and energy management of electric power generating units involving
PEMFC and battery or supercapacitors storage. Different working conditions for the fuel cells
are defined and studied, consisting in either voltage or current or power imposed by means of
the storage and static converters environment. Identification of parameters and working tests
are performed on specially developed test benches so as to validate theoretical results. At last,
the method is applied to study a "sunracer", an original complex system with embedded
photovoltaic generator, electrochemical storage and brushless wheel motor, wholly modelled
in order to compare various energy management onboard the solar vehicle “Solelhada”.
Keywords
• Modelling • Fuel cell
• Systemic • Lithium Ion accumulator
• Bond Graph • Electricity Generating Unit
• Storage electrochemical component • Photovoltaic generator

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AVANT-PROPOS
Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été conduits au Laboratoire
d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle au sein du groupe « Système ». Ces travaux
ont été financés par une allocation du Ministère de l’Education Nationale, de la Recherche et
de la Technologie.
Je tiens, tout d’abord à remercier M. Yvon CHERON, directeur du LEEI, de m’avoir accueilli
dans son laboratoire, et M. Xavier ROBOAM de m’avoir accepté dans son équipe de travail.
J’adresse mes chaleureux remerciements aux membres du jury de thèse :
à M. Yves BRUNET, directeur du Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble, pour m’avoir
fait l’honneur d’accepter de présider le jury.
à M. Maurice COMTAT, Professeur au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (LGC), à
M. Bernard DAVAT, Professeur et Directeur de l’ENSEM de Nancy, ainsi qu’à M. Jean-
Marie KAUFFMANN, Professeur et Directeur au L2ES à Belfort, pour avoir accepté d’être
les rapporteurs du mémoire, pour l’intérêt qu’ils y ont porté, et pour les différentes remarques
constructives dont ils ont fait preuve dans leur rapport.
à M. Michel PLANTEVIN, Ingénieur de l’entreprise Hélion à Aix en Provence, pour avoir
aimablement accepté de prendre part au jury en tant qu’invité, et d’avoir apporté une vision
industrielle sur mes travaux.
à M. Stefan ASTIER, Maître de Conférences, Habilité à Diriger des Recherches au LEEI,
pour m’avoir proposé un sujet de recherche passionnant, pour avoir su me guider dans mon
travail, et pour m’avoir soutenu dans mes différentes initiatives. Je le remercie également pour
son extrême gentillesse ainsi que pour sa bonne humeur communicative. De même, les
différentes aventures solaires que nous avons partagées resteront longtemps dans ma
mémoire.
à M. Christophe TURPIN, Chargé de Recherche au CNRS, qui a co-encadré ces travaux et
auxquels il a apporté toute sa rigueur et son œil critique. Je tiens à le remercier tout
particulièrement pour le temps, la passion et l’enthousiasme dont il a fait preuve lors de la
relecture de ce mémoire. Sa passion de la recherche et son dynamisme m’ont été d’une aide
précieuse lors de ces trois ans de travaux. Je tiens ici à lui témoigner toute mon estime et ma