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Contribution à l'étude systémique de dispositifs énergétiques à composants électrochimiques. Formalisme Bond Graph appliqué aux piles à combustible, accumulateurs Lithium-Ion, Véhicule Solaire

Saïsset, Rémi (2004) Contribution à l'étude systémique de dispositifs énergétiques à composants électrochimiques. Formalisme Bond Graph appliqué aux piles à combustible, accumulateurs Lithium-Ion, Véhicule Solaire. (Contribution to the systemic study of energetic systems including electrochemical devices : Bond Graph formalism applied to modelling fuel cells, lithium-ion batteries and sunracer.)

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Prix Léopold Escande 2004 (more)

Abstract

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 combustibles (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. 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 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”

Department or laboratory:Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle - LEEI (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Astier, Stéphan
Uncontrolled Keywords:Modélisation - Systémique - Bond Graph - Stockage électrochimique - Pile à combustible - Accumulateur Lithium-Ion - Groupe électrogène - Générateur photovoltaïque. KEYWORDS : Modelling - Fuel cell - Systemic - Lithium Ion accumulator - Bond Graph - Electricity Generating Unit - Storage electrochemical component - Photovoltaic generator
Subjects:Electrical engineering > Automation
Deposited On:27 September 2004

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