Convertisseur continu-continu à rapport de transformation élevé pour applications pile à combustible, High voltage ratio DC-DC converter for fuel cell applications

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LIENS

Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Doctorale:
Informatique Automatique Electronique Mathématique

Département de Formation Doctorale:
Electronique Electrotechnique

N° attribué par la bibliothèque
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Thèse

Présentée en vue d’obtenir le grade de
Docteur de lInstitut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité
: Génie Electrique
p raHUANG Bin
DEA PROTEE, UHP

CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU A RAPPORT DE
TRANSFORMATION ELEVE POUR APPLICATIONS PILE À
COMBUSTIBLE

sous la direction de
M. DAVAT Bernard
Soutenue publiquement, le 14 mai 2009 devant la commission dexamen
Membres du Jury :
M. ASTIER Stéphan Président Rapporteur
M. BERTHON Alain Rapporteur
M. DAVAT Bernard
M. DE BERNARDINIS Alexandre
M. MARTIN Jean-Philippe
M. PIERFEDERICI Serge

Remerciements

Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Groupe de Recherche en
Électrotechnique et en Électronique de Nancy (GREEN), au sein de l’École Nationale
Supérieure d’Électricité et de Mécanique (ENSEM) de Nancy.
Je remercie tout d’abord Monsieur Stéphan ASTIER, Professeur à l’INPT, ainsi que
M. Alain BERTHON, Professeur à l’Université de Franche-Comté, d’avoir accepté de
rapporter ce travail et pour l'intérêt qu'ils y ont porté.
J’adresse mes plus vifs remerciements à M. Bernard DAVAT, Professeur à l’INPL,
pour avoir encadré et dirigé ces travaux et pour la confiance qu’il m’a accordée tout au long
de cette thèse.
Je remercie très chaleureusement M. Jean-Philippe Martin, Maître de conférences à
l’INPL, d’avoir co-encadré cette thèse, pour son enthousiasme et tous les précieux conseils
qu'il a portés, des heures durant, sur ces travaux.
Je remercie particulièrement M. Serge PIERFEDERICI, Maître de conférences HDR
à l’INPL, pour sa disponibilité et ses conseils avisés pour la commande du système.
Je remercie M. Alexandre DE BERNARDINIS, Chargé de recherche à l’INRETS, pour
sa présence dans le jury de thèse et aussi pour l’intérêt qu’il a manifesté pour ces recherches.
J’exprime également ma gratitude au personnel administratif, aux secrétaires, aux
techniciens et à l’ensemble des chercheurs du GREEN pour leur aide, leur gentillesse, les
bons moments passés ensemble et pour tout ce qu’ils ont pu m’apporter durant ces années.
Je remercie également, ma famille et mes amis, pour leur aide dans la réalisation de
ce travail, leur assistance et leur immense soutien moral et affectif pendant toutes ces années.

Sommaire

Sommaire
Introduction générale
Chapitre 1. Convertisseurs continu-continu non isolé
1.1. Introduction
1.2. Convertisseurs continu-continu non-isolés
1.2.1. Etude des convertisseurs classiques en mode de conduction continue
1.2.1.1. Convertisseur Boost
1.2.1.2. Convertisseur Buck
1.2.1.3. Convertisseur Buck-Boost
1.2.1.4. Convertisseur Cuk
1.2.1.5. Convertisseur Sepic
1.2.1.6. Comparaison des montages
1.2.2. Prise en compte des éléments parasites
1.2.2.1. Prise en compte des éléments parasites du convertisseur Boost
1.2.2.2. Prise en compte des éléments parasites du convertisseur Buck
1.2.2.3. Prise en compte des éléments parasites du convertisseur Buck-Boost
1.2.2.4. Prise en compte des éléments parasites du convertisseur
Cuk et du convertisseur Sepic
1.2.2.5. Comparaison des gains en tension en tenant compte les éléments parasites
1.2.3. Associations de composants ou de montages
1.2.3.1. Mise en parallèle des convertisseurs élémentaires
1.2.3.2. Convertisseur Boost à trois niveaux
1.2.3.3. Convertisseur Boost en cascade
1.2.3.4. Convertisseur à haut gain en tension
1.3. Conclusion

1

5

8 9 9 911 2 114 5 117 811 923 25 72 8229 2 98 340 4 346

Chapitre 2. Structure proposée et son contrôle
2.1. Introduction
2.2. Choix de la structure des convertisseurs élémentaires
2.2.1. Comparaisons des convertisseurs élémentaires
2.2.2. Pertes dans les convertisseurs élémentaires
2.3. Contrôle des convertisseurs élémentaires
2.3.1. Régulateur de courant du Boost entrelacé
2.3.2. Régulation de courant du Boost à trois niveaux
2.3.2.1. Etude du Boost à trois niveaux
2.3.2.2. Mise en évidence des problèmes liés à une dissymétrie du Montage
2.3.2.3. Solutions d’équilibrage des tensions des capacités
2.3.2.4. Régulateur de courant proposé
2.4. Contrôle global du système
2.4.1. Contrôle de mise en cascade de deux convertisseurs élémentaires
2.4.2. Introduction du système plat
2.4.3. Génération de trajectoire de référence et loi de commande
2.4.4. Estimateur de résistance
2.5. Simulation globale du convertisseur proposé
2.6. Conclusion
Chapitre 3. Réalisation du banc dessai et essais expérimentaux
3.1. Introduction
3.2. Dimensionnement du convertisseur
3.2.1. Filtre d’entrée
3.2.2. Valeur des inductances
3.2.3. Valeur des condensateurs
3.2.4. Réalisation et choix des composants
3.2.5. Vérification du dimensionnement
3.2.5.1. Courant de démarrage
3.2.5.2. Variables liées au convertisseur
3.2.5.3. Rendement théorique
3.2.5.4. Plage de fonctionnement
3.2.6. Réversibilité des convertisseurs
3.3. Réalisation du convertisseur
3.4. Essais expérimentaux
3.4.1. Essais en régime permanent

7 47 4 4805 0606 3 663 76 73 74 97 79 5888 91 3997 9 8 990 100 1010 3 05101 601 711 2411 5 116 111 12215 5 12

2

3.4.1.1. Essais à 400 W
3.4.1.2. Intérêt de la réversibilité des convertisseurs
3.4.1.3. Vérification de la nécessité de l’équilibrage des tensions
3.4.2. Essais en régime transitoire
3.4.2.1. Tests des régulateurs de courant
3.4.2.2. Test d’équilibrage des tensions
3.4.2.3. Trajectoires des sorties
3.4.3. Tests de l’estimateur de résistance
3.4.4. Rendement du convertisseur
3.5. Conclusion
Conclusion générale

Références bibliographiques

521 721127 21 88 2192 1130 231134 531

1 73

31 9

3

4

Introduction générale

Le travail que nous présentons a été effectué au GREEN (Groupe de Recherches en
Electronique et Electrotechnique de Nancy). Il s’est agi d’effectuer une conversion de type
continu-continu en alimentant un banc de batteries à partir d’une source basse tension fort
courant, cette source pouvant être une pile à combustible.
Les piles à combustible ne sont pas une technologie nouvelle puisqu'elles ont été
découvertes en 1839 par Sir William Grove. Jusqu'au milieu du siècle dernier, elles sont
restées oubliées, jusqu'à ce que l'on s'y intéresse de nouveau avec les programmes spatiaux
des années 1960.
Les réserves limitées en énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon), la nécessité
de réduire les émissions de polluantes (notamment de CO
2
), l'accroissement de la population
mondiale et l'industrialisation des pays en voie de développement vont entraîner à terme une
augmentation des besoins énergétiques. Pour cela, on recherche des moyens de production
d'énergie moins polluants, notamment en accentuant la part des énergies renouvelables.
Les piles à combusti