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Universit Joseph Fourier
N attribu par la bibliothque /__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LUJF
Spcialit : Gnie Electrique
Prpare au Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble UMR 5529
Dans le cadre de lcole doctorale Electronique, Electrotechnique,
Automatique, Tlcommunication, Signal
Prsente et soutenue publiquement
par
DANG Bang Viet
Le 08 Dcembre 2006
Titre :
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
JURY M. SEDDIK BACHA Prsident M. ALAIN BERTHON Rapporteur M.
PHILIPPE LE MOIGNE Rapporteur M. JEAN-PAUL FERRIEUX Directeur de
thse M. YVES LEMBEYE Co-encadrant de thse M. ALAIN LACARNOY
Examinateur M. LUIS MARTINEZ-SALAMERO Examinateur M. JEAN BARBAROUX
Invit
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
iii
Dnh cho gia nh ti!
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
v
La soutenance sloigne et cest le moment de penser tout ce qui au
tour de moi pendant les
sjours Grenoble et de dire Merci !.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance tout en premier lieu mes
responsables DEA et puis
mes directeurs de thse Jean Paul FERRIEUX et Yves LEMBEYE sans
qui rien ne serait
possible. Cest vrai que jai de la chance quand jai des
responsables comme vous.
Je tiens remercier M. Seddik BACHA pour avoir accept dtre
prsident de mon jury ainsi
que M. Philippe LE MOIGNE et M. Alain BERTHON pour avoir accept
dtre rapporteurs
de mon mmoire et pour les diffrentes remarques
constructives.
Je voudrais remercier M. Alain LACARNOY pour avoir accept de
prendre part au jury et pour
vos remarques du point de vue industriel.
Je voudrais remercier M. Luis MARTINEZ SALAMERO pour avoir t
pass un long trajet
depuis lEspagne pour participer au jury et pour ses
contributions intressantes.
Un grand merci Jean BARBAROUX pour tes astuces pratiques. Sans
toi, il est difficile
davoir un convertisseur de qualit. Tu mas beaucoup aid non
seulement dans le travail mais
encore dans la vie quotidienne.
Je voudrais remercier les secrtaires du labo, donc Danielle,
Monique, Elise, Jacqueline pour
leurs aides depuis mon arrive au labo ainsi que tout au long de
mon sjour au LEG.
Merci beaucoup mes amis du labo et en particulier de lquipe EP
pour avoir cr une trs bonne
ambiance de travail.
Je voudrais remercier mes amis AEVG pour tout ce quon a cr
ensemble ici, Grenoble.
Cui cng ti xin dnh li cm n chn thnh nht n gia nh ti, nhng ngi
thn yu nht
qu ti.
Con xin cm n b m. Tuy b m xa nhng con bit rng b m lun lun lo lng
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li vn ni ht c.
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
vi
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
vii
SOMMAIRE
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
viii
INTRODUCTION GENERALE
.............................................................................
1
CHAPITRE 1 : Gnrateur Pile Combustible
1.1. Gnralits sur le systme PAC :
---------------------------------------------------------------10
1.1.1. Principe de fonctionnement et constitution :
--------------------------------------------------- 10 1.1.1.1. Le
coeur
:------------------------------------------------------------------------------------------------------
10 1.1.1.2. Gnrateur PAC :
------------------------------------------------------------------------------------------
13 1.1.1.3. Avantages et limites
:----------------------------------------------------------------------------------------
15
1.1.2. Actualit des applications
:-------------------------------------------------------------------------
16 1.1.2.1. Applications portables :
-------------------------------------------------------------------------------------
17 1.1.2.2. Applications dans le transport :
----------------------------------------------------------------------------
18 1.1.2.3. Applications stationnaires :
---------------------------------------------------------------------------------
19
1.2. Comportement de la PAC et contraintes sur le convertisseur
EP : -----------------------20
1.2.1. Comportement lectrique de la PAC :
----------------------------------------------------------- 20
1.2.1.1. Caractristique statique nature dune source non linaire
:------------------------------------------- 20 1.2.1.2.
Comportement dynamique nature dune source de tension :
----------------------------------------- 21
1.2.2. Contraintes imposes par la
source:--------------------------------------------------------------
23 1.2.2.1. Fort courant et faible tension de la PAC
:-----------------------------------------------------------------
23 1.2.2.2. Faible ondulation du courant dbit
:----------------------------------------------------------------------
24 1.2.2.3. Rponse des variations de charges :
---------------------------------------------------------------------
25
1.3. Prsentation de deux gammes de puissance de PAC
:---------------------------------------26
1.3.1. Contexte de recherche : projets PACo et
FEBUSS-------------------------------------------- 27 1.3.1.1.
Cahier des charges du projet PACo :
----------------------------------------------------------------------
27 1.3.1.2. Cahier des charges du projet europen FEBUSS :
------------------------------------------------------- 27
1.3.2. Architecture du systme des convertisseurs
---------------------------------------------------- 27 1.3.2.1.
Modes de connexion :
---------------------------------------------------------------------------------------
27 a) Mise en parallle de la sortie des convertisseurs :
-------------------------------------------------------------- 28
b) Mise en srie de la sortie des convertisseurs :
-------------------------------------------------------------------
28 1.3.2.2. Gamme moyenne puissance
:-------------------------------------------------------------------------------
29 1.3.2.3. Gamme forte puissance :
------------------------------------------------------------------------------------
30 a) Structures lvatrices envisageables :
----------------------------------------------------------------------------
30 b) Modes de connexion envisageables :
-----------------------------------------------------------------------------
32
1.4. Conclusion
:----------------------------------------------------------------------------------------32
CHAPITRE 2: Convertisseurs de moyenne puissance Modles de pertes
- Technique de l'entrelacement
2.1. Modles de pertes des composants :
------------------------------------------------------------36
2.1.1. Modles de pertes des semi conducteurs
:------------------------------------------------------- 36
2.1.1.1. Constitution des SC :
----------------------------------------------------------------------------------------
36 2.1.1.2. Modle des pertes dune cellule de commutation :
------------------------------------------------------ 38
2.1.2. Modle de pertes des inductances :
--------------------------------------------------------------- 42
2.1.2.1. Dimensionnement des inductances
:-----------------------------------------------------------------------
42 2.1.2.2. Mthode des plaques de Dowell :
--------------------------------------------------------------------------
43
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
ix
2.1.2.3. Mthode de Dowell applique dans une inductance torique :
------------------------------------------ 46 2.1.2.4. Pertes fer
des inductances :
---------------------------------------------------------------------------------
49 2.1.2.5. Dimensionnement optimal des inductances :
-------------------------------------------------------------
50
2.1.3. Modle de pertes des condensateurs
:------------------------------------------------------------
53
2.2. Technique de lentrelacement :
-----------------------------------------------------------------53
2.2.1. Inductances de sortie :
------------------------------------------------------------------------------
54
2.2.2. Semi conducteurs :
-----------------------------------------------------------------------------------
57
2.2.3. Dimensionnement global du hacheur entrelac :
---------------------------------------------- 58 2.2.3.1.
Inductances
principales:-------------------------------------------------------------------------------------
58 2.2.3.2. Transistors :
---------------------------------------------------------------------------------------------------
59 2.2.3.3. Diodes
:--------------------------------------------------------------------------------------------------------
59 2.2.3.4. Condensateur de
sortie:--------------------------------------------------------------------------------------
59 2.2.3.5. Filtre LC en entre au ct des transistors
:---------------------------------------------------------------
59
2.3. Optimisation de la structure rpartition des pertes
:---------------------------------------60
2.3.1. Dimensionnement et pertes dans les inductances :
-------------------------------------------- 60
2.3.2. Stratgie de choix et pertes des semi conducteurs :
------------------------------------------- 62
2.3.3. Rpartition des pertes dans les convertisseurs:
------------------------------------------------ 67
2.4. Conclusion
:----------------------------------------------------------------------------------------69
CHAPITRE 3: Convertisseurs de forte puissance Structures non
isoles - Modularit
3.1. Rappel sur la structure BOOST :
---------------------------------------------------------------74
3.1.1. Fonctionnement :
-------------------------------------------------------------------------------------
74 3.1.1.1. Principe de fonctionnement :
-------------------------------------------------------------------------------
74 3.1.1.2. Contraintes sur les composants :
---------------------------------------------------------------------------
75
3.1.2. Difficults vis--vis du cahier des charges :
----------------------------------------------------- 76 3.1.2.1.
Tension de dimensionnement :
-----------------------------------------------------------------------------
77 3.1.2.2. Influence du rapport
cyclique:------------------------------------------------------------------------------
77
3.2. Double BOOST entrelac :
----------------------------------------------------------------------79
3.2.1. Principe de fonctionnement :
----------------------------------------------------------------------
79
3.2.2. Dimensionnement global :
--------------------------------------------------------------------------
81 3.2.2.1. Semi conducteurs :
-------------------------------------------------------------------------------------------
81 3.2.2.2. Inductances :
--------------------------------------------------------------------------------------------------
81 3.2.2.3. Condensateur de filtrage de sortie :
------------------------------------------------------------------------
82
3.2.3. Exemples de simulation :
---------------------------------------------------------------------------
83
3.3. Double BOOST dual entrelac :
----------------------------------------------------------------84
3.3.1. Principe de fonctionnement :
----------------------------------------------------------------------
84
3.3.2. Dimensionnement global :
--------------------------------------------------------------------------
87 3.3.2.1. Semi conducteurs :
-------------------------------------------------------------------------------------------
87 3.3.2.2. Inductances :
--------------------------------------------------------------------------------------------------
87 3.3.2.3. Condensateur de filtrage de la sortie :
---------------------------------------------------------------------
88
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
x
3.3.3. Exemples de simulation
-----------------------------------------------------------------------------
89
3.4. Comparaison des trois structures
---------------------------------------------------------------91
3.4.1. Rapport cyclique
:------------------------------------------------------------------------------------
91
3.4.2. Inductance :
-------------------------------------------------------------------------------------------
92
3.4.3. Semi conducteurs :
-----------------------------------------------------------------------------------
97
3.4.4. Condensateur
:----------------------------------------------------------------------------------------
99
3.5. Etude de la modularit
:------------------------------------------------------------------------
100
3.5.1. Mise en parallle de la sortie des convertisseurs :
------------------------------------------- 100
3.5.2. Mise en srie de la sortie des convertisseurs :
------------------------------------------------ 102
3.5.3. Mise en srie des PAC en entre du convertisseur
:----------------------------------------- 104
3.6.
Conclusion:---------------------------------------------------------------------------------------
106
CHAPITRE 4: Contrle - commande de l'interface de puissance
4.1. Principales fonctions de transfert :
----------------------------------------------------------- 112
4.1.1. Fonction de transfert du BUCK :
---------------------------------------------------------------
112
4.1.2. Fonction de transfert du BOOST :
-------------------------------------------------------------
114
4.2. Gestion de la puissance dans un convertisseur :
------------------------------------------- 115
4.2.1. Construction de la loi de commande
:---------------------------------------------------------- 115
4.2.2. Equilibrage des courants lmentaires
:------------------------------------------------------- 116
4.2.3. Application numrique :
--------------------------------------------------------------------------
117
4.3. Gestion de l'quilibrage de la puissance entre les modules :
----------------------------- 119
4.3.1. Problmatique et mthodologie
:----------------------------------------------------------------
119
4.3.2. Equilibrage du courant d'entre ou de sortie
:----------------------------------------------- 120
4.4. Gestion des transitoires de charge :
---------------------------------------------------------- 122
4.4.1. Position de la source auxiliaire :
----------------------------------------------------------------
123
4.4.2. Construction de la commande :
-----------------------------------------------------------------
125
4.4.3. Comportement de l'ensemble lors de variations de charge :
------------------------------ 126
4.5. Ralisation de deux BUCK de 2,5 kW :
------------------------------------------------------ 127
4.5.1. Fonctionnement indpendant :
------------------------------------------------------------------
129 4.5.1.1. Rgime normal
:---------------------------------------------------------------------------------------------129
4.5.1.2. Rgime de dfaut dune branche :
------------------------------------------------------------------------132
4.5.1.3. Rendement
:--------------------------------------------------------------------------------------------------132
4.5.2. Fonctionnement en parallle :
-------------------------------------------------------------------
135
4.6. Conclusion
:--------------------------------------------------------------------------------------
136
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
xi
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES
ANNEXE
A.1. Dimensionnement analytique des condensateurs de filtrage ct
semi conducteurs : 150
A.2. Dimensionnement global du BUCK entrelac :
-------------------------------------------- 154
A.3. Dimensionnement des structures de forte puissance
:------------------------------------- 155
A.4. Fonction de transfert du BUCK et du BOOST
:-------------------------------------------- 158
A.5. Un outil pour la conception du systme de rgulation
------------------------------------ 162
A.6. Formes dondes du BUCK 2.5 kW ralis :
------------------------------------------------- 164
A.7. Pertes cuivre dans les inductances
:---------------------------------------------------------- 169
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
xii
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
1
INTRODUCTION GENERALE
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
2
accroissement de lutilisation de lnergie et la rarfaction des
combustibles fossiles oblige
lhomme trouver un nouveau vecteur nergtique durable pour
lavenir. Ce nouveau vecteur
devra possder des vertus telles que : pouvoir tre produit partir
de diffrentes sources
dnergie primaire (fossile ou non fossile), tre facilement
transport, stock et distribu. De plus, il doit
tre facile de le convertir vers d'autres formes finales
dutilisation comme : lectrique, mcanique,
thermique et chimique Pour l'heure, seul lhydrogne peut prtendre
rpondre ces critres [CEA44]
[European]. En effet, bien que lhydrogne sous la forme
molculaire nexiste quasiment pas dans la
nature, latome dhydrogne est extrmement abondant sur notre
terre. En ralit, la production
dhydrogne peut tre envisage par trois voies principales :
oxydation des produits dorigine fossile (gaz
naturel), llectrolyse de leau (par nergie olienne et
photovoltaque ou bien nergie nuclaire),
production directe partir de la biomasse ou par lutilisation de
bactries. Lhydrogne produit sera
ensuite stock dune faon centralise ou dcentralise adapte aux
modes dutilisation. Le stockage de
lhydrogne peut tre ralis par quatre formes principales : un
produit hydrogn (comme un alcool), tre
liqufi trs basse temprature (20 K), tre comprim dans un rservoir
ou bien tre absorb dans des
matriaux comme les hydrures et les nano tubes. Lhydrogne,
lui-mme, a pu tre transport des
distances de lordre de la centaine de kilomtres sans la moindre
dfaillance depuis plus de 70 ans. Enfin,
son utilisation est optimise par des voies connues et bien
matrises comme les moteurs thermiques, les
turbines gaz, les chaudires et un nouveau trs bon convertisseur
dnergie : la pile combustible. En
possdant ces vertus intressantes, lhydrogne, peut tre considr
comme un nouveau vecteur
nergtique pour lavenir.
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
3
Intro 1. Hydrogne vecteur nergtique pour lavenir
La pile combustible (PAC), quant elle, est une technologie
maintenant matrise qui permet de
convertir efficacement le combustible hydrogne en nergie
lectrique et thermique. Elle est intressante
non seulement par son rendement plus lev par rapport des
conversions thermiques traditionnelles
(moteur, turbine) mais encore par son faible impact
environnemental. Sa diversit technologique
(temprature de fonctionnement, nature de llectrolyte) facilite
ses applications. Aprs une premire
phase de dveloppement limite seulement aux applications o le cot
est un facteur secondaire, les
marchs prometteurs des piles combustible apparaissent aujourdhui
multiples. Nous pouvons distinguer
trois grands domaines dapplications : portable, stationnaire et
transport. Ceci a attir la participation de
nombreux acteurs dans le monde entier.
Intro2. Pile combustible excellent convertisseur du vecteur
nergtique
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
4
Malgr les caractristiques nergtiques et environnementales
intressantes ainsi que la diversit de
technologie, la PAC, comme les autres sources dnergie non
conventionnelles, nest pas une bonne
source lectrique. En effet, ses caractristiques lectriques, en
gnral, ne rpondent pas aux besoins de
lutilisateur. Lextension de son utilisation dpend par consquent
fortement de la qualit de linterface
lectronique de puissance. Cest donc lorigine de mes travaux de
thse : la conception du systme de
conversion lectronique de puissance pour pile combustible.
Le premier chapitre de la thse rappellera, tout dabord, le
principe de fonctionnement et des notions de
base dun systme de PAC. En suite, nous prsentons les intrts et
les limites quapporte la PAC ainsi
que ltat de lart des marchs actuels. Puis, nous nous intressons
aux caractristiques et aux contraintes
de la PAC qui poseront des problmes auxquels notre convertisseur
doit faire face. En effet, la PAC est
une source non linaire en statique mais en dynamique elle est
peut tre considre comme une source de
tension. En ce qui concerne les contraintes, nous devrons
rsoudre les problmes typiques de la PAC : une
source fort courant basse tension, une faible ondulation du
courant dbit et une dynamique lente lors
des rgimes transitoires. Nous prsentons galement les deux
projets FEBUSS et PACo desquels nous
utiliserons les spcifications. En fait, le PACo vise des
applications stationnaires de moyenne puissance
de type tlcommunications tandis que le projet europen FEBUSS se
situe dans la gamme de forte
puissance pour les applications stationnaires et de transport.
Le cahier des charges de FEBUSS, quant
lui, ajoute une contrainte de fort rapport de tension entre
l'entre et la sortie. Enfin, le chapitre se termine
par une discussion sur les structures de convertisseur ainsi que
les modes de connexion adapts aux
cahiers des charges de ces deux projets.
Les deux chapitres qui suivent se concentreront sur
loptimisation de larchitecture du systme de
conversion en rgime stationnaire en se basant sur des critres
tels que : le rendement, le volume, le cot
et la possibilit de modularit. En effet, comme nous le verrons,
notre systme de conversion se
composera de convertisseurs lmentaires. Loptimisation de
celui-ci consistera donc loptimisation de
la structure de chaque convertisseur lmentaire et loptimisation
de leur mode de connexion.
Dans le chapitre 2, nous aborderons les convertisseurs de
moyenne puissance. Le chapitre commencera
par la construction des modles de pertes des composants dans un
convertisseur d'lectronique de
puissance comme linductance, les semi conducteurs et le
condensateur. Ceci servira dune base pour
comparer les performances des structures ainsi que leurs
configurations. Nous tudierons ensuite dune
faon approfondie la technique de lentrelacement qui est considre
comme une solution contre le
problme de fort courant de la pile. Elle modifie, dune part, la
forme donde des courants et des tensions
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
5
et, dautre part, offre la possibilit doptimiser le
dimensionnement des inductances vis--vis de leurs
pertes et de leur volume. Dans la suite de ce chapitre, nous
aborderons le dimensionnement global du
BUCK entrelac. Une tude systmatique des pertes dans les
inductances en variant le nombre de
branches dentrelacement nous permet dclairer les intrts et les
limites de la technique de
lentrelacement. En tenant compte de leur contribution importante
sur les pertes, nous analyserons le
compromis qualit prix des semi conducteurs afin dobtenir une
stratgie de choix raisonnable. Enfin,
les calculs de dimensionnement et de pertes vis--vis du cahier
des charges du convertisseur de moyenne
puissance nous permettront de conclure sur la structure et la
configuration optimale pour chaque niveau
de puissance ainsi que la possibilit de modularit dans la
conception du convertisseur.
Dans le chapitre 3, nous discuterons sur les convertisseurs de
forte puissance que demande le projet
FEBUSS. Laccent de ce chapitre portera sur les solutions contre
les contraintes de forte tension de
dimensionnement et de fort rapport de tension. Nous prsenterons,
dabord, les difficults du BOOST
entrelac vis--vis du cahier des charges. Ensuite, nous
analyserons la structure choisie par Schneider
Electric, le double BOOST entrelac, qui permet de rduire la
tension de dimensionnement. Par contre,
cette structure nest pas une bonne solution lors de la
modularit. Nous avons propos une nouvelle
structure, nomme double BOOST dual entrelac, qui, possde les
caractristiques intressantes des deux
premires structures vis--vis de notre cahier des charges. Afin
davoir une vue globale sur le domaine
dapplications de chaque structure, nous les avons compares
vis--vis du dimensionnement des
inductances, des semi conducteurs et des condensateurs. Enfin,
comme pour la gamme de moyenne
puissance, nous avons abouti des conclusions sur la structure et
la configuration optimale pour chaque
niveau de puissance et la possibilit de modularit.
Dans le dernier chapitre, nous nous intressons aux aspects de
contrle commande du systme de
conversion lors du rgime stationnaire et du rgime transitoire.
En effet, en rgime stationnaire, le
systme de contrle commande doit asservir la tension sur la
charge tout en assurant une bonne
rpartition de la puissance entre les modules. En rgime
transitoire, une source auxiliaire sera
indispensable afin de compenser la dynamique lente de la PAC. A
la fin de ce chapitre, nous allons
prsenter les rsultats exprimentaux de deux modules de
convertisseurs de 2.5 kW tudis et choisis dans
le chapitre 2. Ces rsultats valideront nos efforts de calculs et
de prdictions thoriques.
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
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CHAPITRE 1
GENERATEUR A PILE GENERATEUR A PILE GENERATEUR A PILE GENERATEUR
A PILE AAAA COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
8
Table des matires du chapitre 1
1.1. Gnralits sur le systme PAC :
---------------------------------------------------------------10
1.1.1. Principe de fonctionnement et constitution :
--------------------------------------------------- 10 1.1.1.1. Le
coeur
:------------------------------------------------------------------------------------------------------
10 1.1.1.2. Gnrateur PAC :
------------------------------------------------------------------------------------------
13 1.1.1.3. Avantages et limites
:----------------------------------------------------------------------------------------
15
1.1.2. Actualit des applications
:-------------------------------------------------------------------------
16 1.1.2.1. Applications portables :
-------------------------------------------------------------------------------------
17 1.1.2.2. Applications dans le transport :
----------------------------------------------------------------------------
18 1.1.2.3. Applications stationnaires :
---------------------------------------------------------------------------------
19
1.2. Comportement de la PAC et contraintes sur le convertisseur
EP : -----------------------20
1.2.1. Comportement lectrique de la PAC :
----------------------------------------------------------- 20
1.2.1.1. Caractristique statique nature dune source non linaire
:------------------------------------------- 20 1.2.1.2.
Comportement dynamique nature dune source de tension :
----------------------------------------- 21
1.2.2. Contraintes imposes par la
source:--------------------------------------------------------------
23 1.2.2.1. Fort courant et faible tension de la PAC
:-----------------------------------------------------------------
23 1.2.2.2. Faible ondulation du courant dbit
:----------------------------------------------------------------------
24 1.2.2.3. Rponse des variations de charges :
---------------------------------------------------------------------
25
1.3. Prsentation de deux gammes de puissance de PAC
:---------------------------------------26
1.3.1. Contexte de recherche : projets PACo et
FEBUSS-------------------------------------------- 27 1.3.1.1.
Cahier des charges du projet PACo :
----------------------------------------------------------------------
27 1.3.1.2. Cahier des charges du projet europen FEBUSS :
------------------------------------------------------- 27
1.3.2. Architecture du systme des convertisseurs
---------------------------------------------------- 27 1.3.2.1.
Modes de connexion :
---------------------------------------------------------------------------------------
27 a) Mise en parallle de la sortie des convertisseurs :
-------------------------------------------------------------- 28
b) Mise en srie de la sortie des convertisseurs :
-------------------------------------------------------------------
28 1.3.2.2. Gamme moyenne puissance
:-------------------------------------------------------------------------------
29 1.3.2.3. Gamme forte puissance :
------------------------------------------------------------------------------------
30 a) Structures lvatrices envisageables :
----------------------------------------------------------------------------
30 b) Modes de connexion envisageables :
-----------------------------------------------------------------------------
32
1.4. Conclusion
:----------------------------------------------------------------------------------------32
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
9
omme nous venons de le voir, la pile combustible (PAC) est
connue comme tant un
gnrateur efficace utilisant lhydrogne qui est considr comme un
vecteur nergtique pour
lavenir. De nombreuses recherches dans ce domaine permettent
dapporter des amliorations
considrables sur son rendement, sa capacit, ses caractristiques
et, en particulier, son cot [FC today].
Ces progrs sont visibles par ses applications nombreuses de trs
faible puissance, de quelques Watts dans
les micros applications, jusquaux grandes puissances de lordre
de plusieurs centaines de kW dans les
applications stationnaires et de transports. Pour devenir
utilisable, cette nouvelle source dnergie
ncessite la mise en place dune interface lectronique de
puissance afin dadapter la pile la charge. Or,
la varit de son domaine dapplication ainsi que de sa technologie
impose des systmes de conversion
spcifiques. Le but de ce chapitre est donc de positionner notre
contexte de recherche, de prsenter le
cahier des charges ainsi que les objectifs atteindre.
Le chapitre dbute par une introduction gnrale sur la PAC, sa
constitution ainsi que quelques
informations sur lactualit de ses applications. Ensuite, nous
allons aborder les caractristiques
principales lies la conception dune interface d'lectronique de
puissance (EP). Dans la troisime
partie, nous allons prsenter les cahiers des charges concrets de
notre recherche ainsi quintroduire des
rflexions globales sur larchitecture du systme de conversion,
donc les structures envisageables et leurs
modes de connexion.
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Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
10
1.1. Gnralits sur le systme PAC :
1.1.1. Principe de fonctionnement et constitution :
1.1.1.1. Le coeur :
a) Principe de fonctionnement :
La PAC est un gnrateur qui convertit directement lnergie interne
dun combustible en nergie
lectrique par la synthse de leau partir dhydrogne et doxygne. En
effet, les deux processus
doxydation et de rduction deux lieux diffrents ( lanode et la
cathode) entranent un dplacement
des lectrons et produit du courant lectrique sous une faible
tension de lordre du volt.
Pour la plupart des applications, le gnrateur PAC se compose de
plusieurs cellules mises en
srie. Chaque cellule est constitue de deux lectrodes. Lanode
sert la production doxydation du
carburant, gnralement lhydrogne. Du ct de llectrode ngative a
lieu la raction de rduction du
comburant, gnralement loxygne de lair. Les faces des lectrodes
sont recouvertes par un catalyseur,
souvent en platine. Les deux lectrodes sont spares par un
lectrolyte. Lensemble lectrode ngative,
llectrolyte, llectrode positive constitue le coeur de la
pile.
Dune faon plus gnrale, suivant la nature de llectrolyte, nous
distinguons les piles acides ou
les piles basiques o les processus doxydation et de rduction se
produisent lanode ou bien la
cathode.
Piles acides Piles alcalines
Anode H2 2H+ + 2e- 2H2 + 4OH
- 4H2O + 4e-
Cathode O2 + 2H+ + 2e- H2O O2 + 2H2O + 4e
- 4OH-
Bilan de la raction H2 + O2 H2O
Les figures 1.1 et 1.2 dcrivent le principe de fonctionnement
dune cellule de PAC.
1, 11 : les plaques bipolaires.
2, 10 : lamene des gaz H2 et O2 (gaz conduit)
3, 9 : couche de diffusion
8 : triple contact
5, 7 : couche dactivation
6 : membrane
-
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Combustible
11
Fig. 1.2. Constitution dune cellule
b) Les lments de technologie principaux :
Plaques bipolaires :
Les plaques bipolaires se situent entre deux cellules et forment
la frontire de chacune. Dans la figure 1.1,
nous voyons bien leur rle de collecter les lectrons gnrs et
lamene des gaz sur chacune de ses deux
faces (do vient le nom bipolaire). Ailleurs, elles assurent
encore dautres fonctions :
e- e-
H+
H+
H+
e-
e-
e-
e-
H2,gaz O2,gaz
O2,liq
H2O H2,liq
H2,gaz
H2,gaz
O2,gaz
O2,gaz
1 5
2 3
6 11 7 8
9 10
Fig. 1.1. Description du fonctionnement dune cellule de PAC de
type PEM
Anode Cathode Membrane
-
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12
- Elles sparent des ractifs entre les deux cellules.
- Ces plaques interviennent galement dans lvacuation de la
chaleur due aux ractions
doxydorduction,
- Les plaques doivent en outre vacuer efficacement les gaz non
consomms et leau produite par
la raction.
Afin de pouvoir assurer les fonctions ci-dessus, elles doivent
:
- Etre un bon conducteur lectronique afin de rduire les pertes
conductrices interne de la pile.
- Possder une impermabilit au gaz suprieure celle de la
membrane.
- Etre chimiquement inerte
- Etre un bon conducteur thermique pour vacuer la chaleur des
ractions
- Etre mcaniquement solide
Actuellement, le graphite est le matriau le plus adapt ces
contraintes. Cependant, les matriaux
composites et mtalliques sont aussi des pistes prometteuses.
Electrodes :
Les lectrodes sont le lieu des ractions doxydorduction. Les
lectrodes doivent donc offrir la plus
grande surface dchange possible avec les gaz. Elles sont
constitues dun feutre ou dun papier de
carbone (100 300 m dpaisseur) dont la face en contact avec
llectrolyte est enduite dune pte
contenant du carbone platin, dun polymre hydrophobe : du poly
ttrafluorotylne (PTFE ou Tflon).
Les lectrodes sont constitues de deux couches : la couche de
diffusion (3, 9) et la couche dactivation
(5, 7).
- Couche de diffusion :
Cette zone a pour objet de diffuser les gaz amens par les canaux
des plaques bipolaires en zone active o
la raction se produit. Elle assure donc lapprovisionnement de la
zone active en gaz ractif hydrat, la
conduction lectrique entre la zone active et les plaques amenant
le courant ainsi quune bonne
vacuation de leau produite par la raction. Lalimentation en gaz
doit tre la plus uniforme possible sur
la surface de llectrode afin dassurer lalimentation de la plus
grande partie possible du catalyseur
(platine) en ractifs et dviter ainsi les points chauds dus au
caractre exothermique de la raction
lectrochimique.
- Couche dactivation :
La zone active est le lieu des ractions lectrochimiques. Elle
correspond la zone de couplage entre les
phnomnes lectriques, chimiques et le transfert de masse. Elle
doit la fois assurer le transport des
pices dissoutes en solution par diffusion, la migration des
protons et le transfert lectronique par le biais
du carbone. La grande difficult avec laquelle se ralisent les
diffrents processus de diffusion et de
raction se traduit par les pertes dactivation la cathode et
lanode. Cest pour cela que lutilisation du
-
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13
platine est ncessaire afin daugmenter les vitesses ou cintiques
des ractions chimiques linterface
lectrolyte catalyseur. Ces vitesses peuvent tre 10 fois plus
rapides en prsence du platine.
Membrane lectrolytique :
La membrane est situe entre deux zones actives de deux
lectrodes. Dans la pile de type PEM, elle
assure la migration des protons H+ de lanode vers la cathode. Le
matriau standard utilis pour fabriquer
les membranes des piles PEM est de type Nafion bas sur du Tflon
fluor. Il permet, en fait, une bonne
conduction ionique mais un bon isolant lectrique. De plus, il
est impermable pour lhydrogne et
loxygne et a une bonne tenue mcanique face aux contraintes
thermiques, de pression et dhydratation.
Un point important noter est que la chimie onreuse du Fluor dans
la membrane posera des problmes
de retraitement de dchets.
1.1.1.2. Gnrateur PAC :
Un gnrateur PAC nest pas aussi simple que la partie
lectrochimique qui constitue le cur, mais
prsente encore de nombreux autres lments qui ont pour objet
dassurer le bon fonctionnement de
lensemble du systme de PAC. Globalement, nous pouvons dcrire un
gnrateur PAC comme dans la
figure 1.3.
CHARGE
AMONT
- Production, conditionnement et rservoir du combustible -
Conditionnement du carburant
CONTROLE COMMANDE
Source auxiliaire
INTERFACE ELECTRONIQUE DE
Coeur de la PAC
AVAL
- Gaz dchappement - Chaleur/Humidit
GENERATEUR PILE A COMBUSTIBLE
Fig. 1.3. Systme Pile Combustible
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
14
a) En amont du cur :
Les lments en amont du cur de la PAC ont pour objet dalimenter
et de conditionner le combustible
(lhydrogne) ainsi que le carburant (loxygne) la partie
lectrochimique.
Production de lhydrogne :
Bien que lhydrogne soit un lment trs rpandu dans la nature, il
nest pas, dans la plupart des cas,
sous forme utilisable directe dun gaz molculaire libre mais sous
forme compose. Nous le trouvons
dans tous les hydrocarbures, dans lammoniac et videmment dans
leau. Ceci est un des avantages
importants que possde la PAC car le combustible nest pas limit
mais trs flexible. Ce peut-tre des
sources renouvelables mais aussi des sources fossiles. Cest pour
cela que lhydrogne nest pas considr
comme une nouvelle source dnergie mais comme un vecteur dnergie.
Selon la source de combustible
primaire utilise, nous avons des procdures industrielles de
reformage afin de produire de lhydrogne
pur.
Stockage dhydrogne :
Quand le procd de production dhydrogne est dconnect du systme
pile, dans les applications de
transport par exemple, il faut avoir des rservoirs pour le
stockage dhydrogne. Des alternatives sont
couramment employes :
- stockage sous forme liquide,
- stockage sous pression,
- stockage sous forme dhydrures mtalliques,
- et bientt, stockage dans des nano tubes.
Alimentation en comburant :
Dans la plupart des installations commerciales, le carburant
utilis est loxygne pris dans lair ambiant et
non de loxygne pur. Un compresseur est donc recommand afin
daugmenter la pression et la densit
des gaz. Cette augmentation se traduit par un meilleur rendement
de la pile. Par contre, lajout du
compresseur rend le systme plus encombrement et coteux. De plus,
la lenteur de la partie mcanique du
compresseur est la cause principale de la dynamique lente de la
PAC lors des chelons de charge.
b) En aval du cur :
En aval de la pile, nous allons trouver un systme de traitement
des produits vacus aprs la raction
lectrochimique. Ce sont des gaz, de leau et de la chaleur.
Llectricit est collecte par un bus barre et
alimente la charge donc nous ne la comptons pas comme un produit
vacu. Ces produits doivent tre
traits avant le rejet dans latmosphre.
c) Interface lectrique :
Cette interface est llment principal dans notre travail de
recherche. Elle a pour objet de stabiliser
lnergie gnre par la PAC afin de transformer la PAC dune source
variable un gnrateur de tension
-
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15
contrle. Elle se compose dun convertisseur principal connect
avec la PAC et dune source auxiliaire
en parallle avec la PAC via un convertisseur auxiliaire. Le
convertisseur principal asservira la tension
nominale demande par la charge tandis que la source auxiliaire
sert compenser le courant de la PAC
lors des dynamiques rapides de la charge et lors du
dmarrage.
d) Systme de contrle commande :
Il ne faut pas oublier lexistence de ce systme car il dcide du
bon fonctionnement de lensemble du
systme PAC. Son rle est de contrler les flux dnergie de la PAC
par le dbit de combustible et de
carburant, de contrler lnergie entre la PAC et la source
auxiliaire ainsi que dasservir la tension dsire
par la charge en assurant la scurit de fonctionnement de tout le
systme.
1.1.1.3. Avantages et limites :
a) Avantages :
Durant les dernires annes, le nombre des acteurs participant la
recherche dans cette technologie n'a
cess de crotre. Ceci est justifi par les avantages promoteurs de
la PAC.
Hauts rendements nergtiques mme charge partielle :
Ce rendement est nettement suprieur des gnrateurs traditionnels
et nest pas dgrad charge
partielle. Nous pouvons attendre des rendements globaux de
lordre 50% pour les applications de
transport ou bien de 85% 90% lors de la cognration dans les
applications stationnaires.
Faibles missions sonores :
Lors de leur fonctionnement, les piles sont silencieuses : dans
les systmes PAC, seuls certains organes
comme les compresseurs, les pompes et le systme de ventilation
produisent un lger bruit. Cest un
avantage majeur pour linsertion des piles en milieu urbain.
Peu d'missions :
Nous parlons souvent de la PAC comme d'une source dnergie propre
dans la lutte contre la pollution, en
particulier la pollution des gaz effet de serre. Bien que
lmission des gaz toxiques dpende du
combustible utilis, elle est toujours bien infrieure celle des
moteurs essence.
Possibilit de modularit :
Les piles sont constitues de cellules lmentaires mises en srie
pour obtenir la puissance voulue. Il est
donc possible dadapter le nombre de cellules en srie ainsi que
la surface de chacune afin dobtenir des
puissances de moins de 1 kW plusieurs MW. Pour les piles de trs
petite puissance, on a recours des
techniques de miniaturisation.
Diverses tempratures de fonctionnement :
Il existe plusieurs technologies de PAC qui permettent de
travailler faible ou bien haute temprature.
Les technologies ayant une faible temprature de fonctionnement
sont envisageables dans les applications
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
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16
de type portable et mobile qui nont pas besoin de chaleur. Le
rendement lectrique de ces technologies
est aussi meilleur basse temprature. En revanche, pour les piles
de temprature de fonctionnement plus
leve, nous pouvons utiliser la chaleur pour des applications
domestiques ou industrielles voire un
couplage avec une turbine.
Pas de parties rotatives :
Hormis les compresseurs du systme auxiliaire, dans la
description du principe de fonctionnement de la
PAC, nous remarquons bien quil nexiste pas de partie rotative
dans celle-ci. Le systme est
mcaniquement plus fiable et solide.
b) Les verrous :
La PAC est une nouvelle technologie. Malgr des caractristiques
trs intressantes montres ci-dessus, il
existe encore des problmes rsoudre afin de devenir viable devant
les modes de production
traditionnels.
Cot :
Actuellement, cest le problme le plus important. Malgr des
rductions considrables pendant ces
dernires annes, le cot dinstallation reste encore trs lev. Selon
la puissance installe et la
technologie de pile, le cot dinstallation est environ de 3000$
5500$ (voire 10000$) par kW [FC today].
Dautre part, nous remarquons galement des cots levs du
combustible (hydrogne).
Dure de vie :
Les renseignements sur la dure de vie de la PAC restent encore
prouver. Pour devenir concurrentiel,
elle doit survivre de lordre de quelques milliers dheures pour
les applications mobiles et au moins
40 000 heures pour les applications stationnaires.
Poids et volumes :
Si ces deux aspects ne sont pas une contrainte pour les
applications stationnaires, elles le sont pour les
applications portables et surtout automobiles. D'une part, il
faut que la pile et le module de stockage de
carburant soient intgrables au vhicule. C'est encore plus dlicat
avec un reformeur qui est une usine
gaz intgrer en plus de la pile et o les transferts thermiques
devront tre grs. D'autres part, le systme
pile ne doit pas tre trop lourd pour ne pas affecter les
performances du vhicule.
1.1.2. Actualit des applications :
La PAC, avec ses caractristiques nergtiques et environnementales
intressantes est trs prometteuse
dans bon nombre dapplications, des faibles puissances dans les
applications portables aux trs fortes
puissances dans les applications de transport et stationnaires
[European].
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
17
1.1.2.1. Applications portables :
La PAC est utilise pour la premire fois comme une source
portable depuis les annes 1960 dans larme
amricaine. Mais le dveloppement significatif est connu seulement
depuis les annes 1990. La
croissance rapide du nombre de partenaires durant ces dernires
annes rend le domaine des applications
portables le plus actif pour les applications de la PAC
[Bruijn]. Environ 3000 nouveaux systmes de PAC
[FC today] ont vu le jour chaque anne pendant ces deux dernires
annes. Les PAC ont de plus en plus
dautonomie et sont moins encombrantes. Sur le march actuel, les
piles PEMFC (Protons Exchange
Membrane Fuel Cell) sont les plus rpandues mais en terme de
R&D, les piles DMFC (Directe Methanol
Fuel Cell) sont aussi attirantes que les piles PEMFC.
Fig. 1.4. PEMFC de Casio pour ordinateur portable
(mars 2002). Autonomie de plus de 24h.
Fig. 1.5. Pile DMFC de Toshiba (2005)
Les figures ci-dessus prsentent deux succs de la PAC pour les
applications portables. Lultra compacte
PEMFC utilisant du mthanol de Casio (Fig. 1.4) vise des systmes
dordinateurs portables et des
camras digitales. Elle a une mme taille que la batterie lithium
mais permet une autonomie 4 fois plus
importante que la batterie. Annonce en 2005, la compagnie
japonaise Toshiba a planifi la
commercialisation de la plus petite PAC dans le monde. Avec une
taille de 23x75x10 mm (Fig. 1.5) et
seulement 3.5ml mthanol, cette PAC DMFC de 100 mW permet
dalimenter un baladeur mp3 de
technologie flash pendant 35h.
Malgr des avancements considrables, la plupart des acteurs dans
ce domaine narrivent pas
commercialiser leurs produits comme prvus en 2005. Le militaire
reste encore le client principal.
Pourtant, les participants sont trs optimistes pour le futur de
la PAC et le moment o nous pourrons
utiliser notre ordinateur portable durant 8h dans lavion
approche.
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
18
1.1.2.2. Applications dans le transport :
Le secteur du transport est un march fort potentiel pour la PAC
grce ses caractristiques
intressantes et au dveloppement rapide de la technologie hybride
dans les vhicules. En utilisant
lhydrogne comme combustible, le rendement du moteur lectrique
PAC est bien meilleur que les
moteurs lessence. Dautre part, la faible mission des gaz de la
PAC lui apporte une position trs
concurrente alors que la pollution de lair est devenue un
problme important, surtout dans les grandes
villes. De plus, les moteurs silencieux sont un argument
supplmentaire pour le transport urbain.
Laugmentation continue du nombre de nouveaux systmes (Fig. 1.6)
nous permet davoir une vue
optimiste de ce secteur. Daprs les experts de lindustrie
automobile, on espre quun million de voitures
PAC seront commercialises en 2025 [Electric&hybrid].
Fig. 1.6. Nombre de vhicules PAC accumuls travers des annes [FC
today]
Fig. 1.7. La FCX de Honda lexposition Tokyo Motor Show 2005
Fig. 1.8. Station dhydrogne
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
19
Le modle FCX de Honda lexposition Tokyo Motor Show 2005 (Fig.
1.7) est considr comme le
meilleur prototype des voitures hydrogne et est vraiment la
voiture de demain. Son moteur 80 kW est
aliment par un gnrateur PAC de 86 kW de technologie PEMFC. Il
atteint la vitesse maximale de 150
km/h et parcours un trajet de 300 km avec 3.75 kg dhydrogne
compress. La figure 1.8 nous montre une
station dhydrogne pour la FCX de Honda.
1.1.2.3. Applications stationnaires :
Quand nous parlons du vecteur nergtique pour lavenir, nous
faisons rfrence des applications
stationnaires parce que cest le secteur qui exige des puissances
importantes. La PAC est trs attendue
dans ce domaine et contribuera pour une part importante dans la
production dcentralise, la mthode de
production de l'lectricit de lavenir [Joon] [Torrero].
Toutefois, actuellement, la commercialisation de la
PAC ne vise que des utilisations finales et non des grands
systmes pour la vente au rseau de
distribution. Il y a plusieurs raisons cela : dune part, le cot
reste encore lev par rapport dautres
moyens de production dnergie lectrique qui demandent souvent de
grandes puissances. Dautre part,
elle devient beaucoup plus fiable petite taille et sa possibilit
de production conjointe dlectricit et de
chaleur est bien adapte aux besoins de lhabitant dun petit
quartier. Par consquent, les principales
applications stationnaires se trouvent dans les secteurs
commercial, industriel et rsidentiel. Les stations
puissances suprieures de quelques centaines de kilowatts sont
trs rares.
Fig. 1.9. Evolution du nombre de systmes puissance suprieure 10
kW travers les annes
Fig. 1.10. Nombre des systmes en pourcentage (%) par
technologie travers les annes
Les figures 1.9 et 1.10 prsentent lvolution des systmes PAC pour
les applications stationnaires
puissance suprieure 10 kW en fonction des annes et en fonction
des technologies utilises [FC today].
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
20
1.2. Comportement de la PAC et contraintes sur le
convertisseur EP :
Dans cette partie, nous allons tudier le comportement de la PAC
vis--vis des sollicitations en gnie
lectrique ainsi que les contraintes prendre en compte lors de la
conception dune interface EP pour
celle-ci. En fait, ce comportement dpend fortement de la
constitution de chaque systme de PAC. Il varie
non seulement en fonction de la technologie de PAC mais aussi
selon la gamme de puissance, le point de
fonctionnement, ltat de la PAC et lalimentation en combustible
et en carburant [Candusso] [Fonts].
Malgr des diffrences quantitatives, les systmes de PAC
reprsentent des caractristiques communes.
Nous allons donc les analyser en nous basant sur les rsultats
obtenus lors des tudes plutt
lectrochimiques dans la pile.
1.2.1. Comportement lectrique de la PAC :
Ltude du comportement de la PAC nous aide comprendre la nature
de la source PAC lors de la
conception du convertisseur. Nous distinguerons la courbe de
polarisation statique et le comportement
dynamique.
1.2.1.1. Caractristique statique nature dune source non linaire
:
La courbe de polarisation de la figure 1.11 prsente la
caractristique dune source de PAC en statique. La
variation du courant et de la tension de la PAC en fonction du
niveau de la puissance fournie montre que
la PAC nest ni une source de tension ni une source de courant en
statique. En effet, le potentiel
thermodynamique thorique de la pile est de 1,23 V. Cependant, la
tension vide varie seulement entre
0,9 et 1,1 V. Cette premire rduction est due lirrversibilit des
ractions lectrochimiques,
notamment de la rduction de loxygne la cathode. De plus, pour
les faibles densits de courant, des
contre-ractions sur les lectrodes, dont limportance est lie leur
cintique, gnrent des surtensions
dactivation. Les pertes dactivation sont plus importantes la
cathode qu lanode. Ensuite, pour la
partie relativement linaire de la courbe, ce sont des pertes
lies aux rsistances lectroniques et ioniques
internes (pertes ohmiques). Les pertes relatives la circulation
des lectrons sont localises dans le
conducteur lectronique des lectrodes, dans les plaques
bipolaires et aux interfaces communes
(rsistance de contact). Les pertes relatives au transport des
protons se situent dans llectrolyte
constituant la membrane et dans la zone active des lectrodes.
Les pertes ohmiques sont principalement
localises dans la membrane. Mais aux fortes densits de courant,
ce type de pertes existe galement dans
les lectrodes et leurs jonctions.
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
21
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Densit de courant, [A/cm]
Ten
sion
, [V
]
Caractristique statique d'une cellule
Fig. 1.11. Courbe de polarisation de la PAC
Enfin, pour les fortes densits de courant, cest la cintique de
diffusion des gaz travers les lectrodes et
laccumulation deau dans les pores des lectrodes (noyage) qui
conduisent des pertes de diffusion et de
noyage importantes. Ce phnomne est dautant plus prcoce si lon
utilise de lair au lieu de loxygne
pur (les 80% dazote passif gne laccs des sites ractifs aux 20%
doxygne actif). A partir dune
certaine quantit de courant demande, lalimentation en molcule de
loxygne ne peut plus suivre, et la
tension chute rapidement.
Ainsi, la PAC est une source non linaire, ni une source de
courant, ni une source de tension. Sa tension et
son courant varient en fonction de la puissance gnre. Cette
caractristique est une des raisons
principales de la ncessit davoir une interface EP afin de
stabiliser sa tension de sortie.
1.2.1.2. Comportement dynamique nature dune source de tension
:
Nous nous intressons dans cette partie au comportement dynamique
de la PAC autour dun point
stationnaire en fonction du domaine frquentiel en gnie
lectrique. Nous distinguons deux plages de
frquence. La premire est de lordre de quelques dizaines quelques
centaines Hz caractrisant la
frquence du courant industriel et ses multiples. La deuxime est
de lordre de quelques dizaines de kHz
et est typique des frquences de dcoupage du convertisseur
statique.
Pertes dirrversibilit
Pertes dactivation
Pertes ohmiques (transfert de charge)
Pertes de diffusion
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
22
Le comportement dynamique de la PAC est obtenu en connectant la
PAC avec une charge active de
nature dynamique source de courant . En excitant le courant de
charge de frquence f et damplitude
iPAC, nous obtenons les variations de tension correspondantes.
Plusieurs tudes ont montr que plus la
frquence du courant dexcitation est leve, plus la PAC se
comporte comme une source de tension.
Les figures 1.13a, b et c prsentent le comportement dynamique du
modle dun stack ELECTROCHEM
dvelopp au LEEI [Fonts]. Nous notons que la variation de la
tension est de 6 fois 10 fois plus faible
que celle du courant. Alors, lors de ltude de conception du
convertisseur EP, la PAC est considre
comme une source de tension en dynamique.
Fig. 1.13a. Comportement dynamique en fonction de la frquence de
modulation f = 1Hz [Fonts]
IPAC
VPAC
t
t
vPAC
iPAC
Fig. 1.12. Illustration du comportement dynamique
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
23
Fig. 1.13b. Comportement dynamique en fonction de la
frquence de modulation f = 100 Hz [Fonts]
Fig. 1.13a. Comportement dynamique en fonction de la
frquence de modulation f = 10 kHz [Fonts]
1.2.2. Contraintes imposes par la source:
Llectronique de puissance a pour objet de stabiliser et contrler
certaines grandeurs lectriques selon les
besoins de la charge. En fonction du cahier des charges et des
contraintes imposes par lapplication, les
convertisseurs sont conus, spcifis et optimiss. La PAC, quant
elle, possde galement des
contraintes spcifiques dues sa constitution et son principe de
fonctionnement. Nous considrons dans
cette partie quelques contraintes spcifiques principales de la
PAC que le convertisseur doit satisfaire.
1.2.2.1. Fort courant et faible tension de la PAC :
Chaque cellule de PAC gnre une tension de 0.6 V nominale 1 V
vide et une densit de courant
nominale de 0.6 A/cm. Pour obtenir des puissances plus leves, on
peut placer plusieurs cellules en srie
pour augmenter la tension ou bien utiliser des surfaces plus
grandes afin de monter en courant. Un
ensemble des cellules places en srie est appel un stack (Fig.
1.14). Pour des raisons mcaniques, le
nombre de cellules en srie dans un stack est limit environ 100
cellules, donc cet ensemble aura une
tension nominale autour de 60 V et 100 V vide. Laugmentation de
la puissance unitaire d'un stack
ncessite laugmentation de la surface des cellules. Par exemple,
la socit Axane a propos deux
gammes de puissance correspondant deux surfaces des plaques de
pile. Lune de 80 cm pour fournir
une puissance de 2,5 kW et lautre de 550 cm une puissance de 20
kW. La tension de ces deux gammes
reste dans la mme plage entre 60 V et 100 V. Dans ces
conditions, nous voyons bien que nous sommes
dans le domaine fort courant et faible tension.
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
24
Fig. 1.14. Mise en srie des cellules pour raliser un stack.
1.2.2.2. Faible ondulation du courant dbit :
Lors de la prsentation du comportement dynamique de la PAC, nous
avons vu quune faible ondulation
de la tension est assure mme avec une ondulation relativement
forte du courant. Par contre, afin de ne
pas endommager la PAC ainsi que sa dure de vie, cette ondulation
du courant doit tre limite une
faible valeur car elle dgrade le rendement de la pile. De plus,
dans sa thse, Guillaume Fonts [Fonts] a
montr quune ondulation de 200% du courant peut causer 35% de
pertes supplmentaire dans la
membrane par rapport au cas dun courant continu sans ondulation.
Ces pertes additionnelles sont
ngligeables lorsque londulation du courant fourni par la pile
est infrieure 10%.
Fig. 1.15. Pertes supplmentaires dans la membrane
en fonction de londulation du courant de dcoupage [Fonts]
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
25
1.2.2.3. Rponse des variations de charges :
La puissance lectrique fournie par la pile est fonction du dbit
des gaz. Alors que lhydrogne est
souvent pr-produit et stock sous forme dhydrogne pur, le
carburant (l'oxygne) est souvent pris dans
lair ambiant par un compresseur. De ce fait, la constante de
temps de la PAC lors des appels de charge de
type chelon est limite par la dynamique mcanique du compresseur.
Les figures 1.16 et 1.17 montrent
des exemples de lvolution de la tension lors de linterruption du
courant et lors dune succession
dchelons de courant. Nous remarquons une constante de temps de
lordre de quelques dizaines de
millisecondes. Pour chaque systme de pile, la dure de ce rgime
transitoire dpend essentiellement du
point de fonctionnement et de lamplitude des chelons. Elle peut
durer jusqu quelques secondes voire
plus longtemps. Ce dlai peut aussi tre expliqu par lanalyse de
lvolution de la rsistance des zones de
diffusion et dactivation comme montre dans les figures 1.19 et
1.20.
Fig. 1.16. Evolution de la tension lors dune interruption de
courant [Fonts]
Fig. 1.17. Evolution de la tension de la PAC lors
dune succession des chelons de courant [Fonts]
Fig. 18a. Zoom de la figure 1.17 [Fonts]
Fig. 18b. Zoom de la figure 1.17 [Fonts]
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
26
Fig. 1.19. Evolution de la rsistance de diffusion
[Fonts]
Fig. 1.20. Evolution de la rsistance dactivation
[Fonts]
1.3. Prsentation de deux gammes de puissance de PAC :
Dans le cadre des forts investissements au niveau international
dans la recherche et le dveloppement
dans le domaine de pile combustible, deux projets de recherches
ont t proposs avec la participation
de plusieurs acteurs franais : le projet PACo [PAC8000] et le
projet europen FEBUSS [FEBUSS]. La
socit AXANE Air liquide est leader sur ces deux projets en
proposant les systmes pile combustible.
Le LEG y participe en s'intressant la conception de linterface
lectronique de puissance reliant la pile
et la charge. Lobjectif principal pour le LEG est doptimiser
lassociation du systme de PAC avec le
systme dlectronique de conversion. Dans ce contexte, 3 thses ont
t ralises au LEG. La thse de
Denis CANDUSSO soutenue en 2002 [Candusso] s'est concentre sur
la modlisation physicochimique de
la pile, des composants de stockage ainsi que sur lhybridation
d'un groupe lectrogne PAC pour
lalimentation dun vhicule. La thse de Ianko VALERO EXPOSITO
soutenue en 2004 [Ianko], quant
elle, vise essentiellement la construction du systme de contrle
commande du convertisseur
lectronique de puissance en tenant compte de linteraction avec
la PAC et la charge. La thse de
Guillaume LEFEVRE soutenue en 2005 [Lefvre01] a propos des
modles de dimensionnement et de
pertes des composants du convertisseur ainsi que des structures
isoles pour la conversion DC/DC.
L'apport de cette thse reposera sur loptimisation de
larchitecture de lensemble du systme de
conversion dlectronique de puissance.
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
27
1.3.1. Contexte de recherche : projets PACo et FEBUSS
1.3.1.1. Cahier des charges du projet PACo :
Le module AuxiPAC du projet PACo [PAC8000] consiste en la
conception de linterface EP pour une
gamme moyenne puissance visant, entre autres, des applications
de tlcommunications (alimentation de
relais GSM). En effet, plusieurs stacks de 2.5 kW sont associs
afin dobtenir des puissances de 2.5 kW, 5
kW, 7,5 kW ou 10 kW. Chaque stack se compose de 100 cellules de
80 cm pouvant fournir une tension
de 60V au point nominal. La tension vide tant de 100V. La pile
utilise de l'hydrogne stock sous
pressions dans des rservoirs spcifiques comme combustible tandis
que loxygne est pris directement
dans lair ambiant au moyen d'un compresseur. La dure de vie de
la pile est attendue au moins
8000h. D'autre part, les stacks sont connects directement avec
le convertisseur DC-DC et londulation du
courant dbit par la PAC est limit 10%. La tension dsire la
sortie du convertisseur est de 48V DC
avec une ondulation de tension infrieure 10%.
1.3.1.2. Cahier des charges du projet europen FEBUSS :
Le projet europen FEBUSS [FEBUSS] concerne la construction dun
gnrateur PAC visant des
applications stationnaires et de transports. Ce gnrateur utilise
des stacks de technologie PEM. En ce qui
concerne lalimentation du combustible et du carburant, lhydrogne
pur est stocke sous forme pression
tandis que loxygne est pris dans lair de ambiant. La dure de vie
de la pile est d'environ 5000h. Dans ce
champ dapplication, la puissance dsire est de lordre de 100kW.
Ce niveau de puissance est obtenu par
association de plusieurs stacks de 20 kW. Chaque stack se
composant de 100 cellules de 550 cm, il
fournit sa sortie une tension de 60V nominal et de 100V vide.
Les stacks de PAC seront connects
directement avec le convertisseur DC-DC. La tension de sortie
dsire est voisine de 700V. Londulation
du courant d'entre et de sortie est limite une valeur infrieure
10%.
1.3.2. Architecture du systme des convertisseurs
Larchitecture du systme des convertisseurs sera un des sujets
principaux de cette thse. Nous
l'aborderons sur les deux aspects suivants : les modes de
connexion des convertisseurs avec les sources et
la charge ainsi que le choix de structures de conversion
adaptes.
1.3.2.1. Modes de connexion :
Comme nous l'avons mentionn dans le cahier des charges, dans
chaque projet, nous utiliserons des stacks
de PAC de puissance modulaire de 2,5 kW ou de 20 kW pour les
associer de manire obtenir des
puissances plus leves. Il existe videmment plusieurs modes de
connexion de ces stacks avec le
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
28
convertisseur en assurant une mme alimentation vue de lextrieur
du systme. Avant danalyser en
dtail larchitecture de chaque gamme de puissance, nous allons
prsenter dans ce paragraphe les
gnralits sur les deux modes de connexions les plus rencontrs
:
- la mise en parallle de la sortie des convertisseurs
- la mise en srie de la sortie des convertisseurs
La mise en parallle des stacks de PAC est dconseille cause de
l'impossibilit de contrler la
rpartition du courant entre les stacks.
a) Mise en parallle de la sortie des convertisseurs : Dans ce
mode de connexion [Viet 03], un ou plusieurs stacks de PAC seront
mis en srie et lensemble des
stacks sera raccord avec un convertisseur. La sortie des
convertisseurs sera mise en parallle. La figure
1.21 montre une configuration avec n stacks mis en srie et
connects avec un convertisseur. La sortie du
g groupes de convertisseur PAC est, en suite, mis en
parallle.
Ce mode de couplage apparat intressant du point de vue de la
modularit. En effet, laugmentation de la
puissance totale est faite par laddition des modules en
parallle. Donc, avec un mme nombre de n stacks
en srie en entre, les systmes de diffrentes puissances
(variation de g) ont le mme dimensionnement
qui est celui du module de n stacks en srie. De plus, le systme
est plus fiable car la dfaillance dun
module ne conduit pas larrt total du systme.
b) Mise en srie de la sortie des convertisseurs :
Ce mode de connexion consiste la mise en srie de la sortie des
convertisseurs. En entre du
convertisseur, un ou plusieurs stacks peuvent tre mis en srie.
La figure 1.22 illustre cette configuration
avec n stacks mis en srie en entre de chaque convertisseur et g
convertisseurs mis en srie la sortie.
n
g
Structure unitaire
Structure unitaire
Fig. 1.21. Mise en parallle de la sortie des convertisseurs
Vs
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
29
Cette topologie permet de rduire la tension de sortie de chaque
structure et peut tre intressante dans le
cas o la tension de sortie est leve. Par contre, elle apparat
moins flexible que la prcdente du point de
vue de la modularit. En effet, le dimensionnement du
convertisseur doit tre refait pour chaque niveau de
puissance. De plus, afin damliorer la fiabilit de lensemble du
systme, le mode by-pass et le
dimensionnement de chaque convertisseur doivent tre prvus en
tenant compte la dfaillance dun des g
groupes.
Ainsi, le mode de connexion influence non seulement la puissance
de chaque convertisseur mais encore
les contraintes imposes comme la tension, le courant de
dimensionnement et par consquent, les
performances du convertisseur. Lintrt de chacune dpend fortement
du cahier des charges concret.
Nous allons en discuter dans les deux paragraphes suivants pour
les deux gammes de puissance.
1.3.2.2. Gamme moyenne puissance :
La gamme moyenne puissance utilise des modules de 2,5kW afin de
concevoir des systmes de puissance
de 2,5kW, 5kW, 7,5 kW et 10 kW. Les contraintes en tension en
entre et en sortie imposent un
convertisseur dabaisseur. En effet, la tension minimale en entre
est de 60V (pour le cas dun stack
puissance nominale) 400V (pour le cas de 4 stacks en srie et
vide) tandis que la tension de sortie est
dsire 48 V.
Fig. 1.23. Hacheur srie entrelac
n
g
Structure unitaire
Structure unitaire
Fig. 1.22. Mise en parallle de la sortie des convertisseurs
Vs
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
30
a) Structures envisageables :
En tenant compte du niveau de puissance et de la gamme de
tension, le BUCK entrelac apparat le mieux
adapt. Dune part, cette structure est assez robuste et dautre
part, elle est trs intressante lorsque lcart
entre la tension d'entre et de sortie nest pas trop grand. Par
contre, il existe des inconvnients que nous
devons rsoudre tel que le filtrage du courant d'entre. En effet,
londulation du courant d'entre est
cause par la commutation des transistors. Cette ondulation est
en gnral forte et le filtrage en entre
peut tre difficile. Pour contourner ce problme, la technique de
lentrelacement peut tre utilise. Elle
permet non seulement de rduire le courant moyen dans chaque
branche, donc de rsoudre le problme de
fort courant, mais encore facilite le filtrage en entre. De
plus, le convertisseur est plus fiable : le dfaut
dune branche ne conduit pas larrt du systme. Nous allons
approfondir l'influence que cela sur le
dimensionnement ainsi que les intrts et les limites de cette
technique de lentrelacement dans le chapitre
2. La recherche dune structure optimale conduira la recherche du
nombre de branches dentrelacement
optimal.
b) Modes de connexion envisageables :
Le mode de connexion envisageable pour cette gamme de puissance
est la mise en parallle de la sortie
des convertisseurs. La mise en srie de la sortie des
convertisseurs nest pas aussi intressante pour
diffrentes raisons :
- la tension de dimensionnement est la tension en entre. Donc,
la diminution de la tension de sortie
napporte aucun intrt.
- labaissement de la tension de sortie agrandit lcart entre la
tension en entre et en sortie de
chaque convertisseur lmentaire.
Par consquent, la recherche dune configuration optimale
consistera en trouver le nombre n de stacks
placer en srie. Pour cela, nous allons comparer les performances
du systme de conversion en faisant
varier le nombre de stacks en srie de 1 4 pour chaque niveau de
puissance.
1.3.2.3. Gamme forte puissance :
Dans la gamme forte puissance, ce sont des stacks de 20kW raliss
l'aide de 100 cellules de 550cm2 qui
sont utiliss. L'application vise tant l'alimentation de charges
triphases 400V, la tension de sortie du
convertisseur DC/DC devra tre au minimum de 700V. Cela impose
que, quelque soit la puissance mise
en jeu, la structure de ce convertisseur devra tre lvatrice car
mme dans le cas 100kW la tension
n'excdera pas 500V (rgime vide de 5 stacks en srie).
a) Structures lvatrices envisageables : Les structures lvatrices
apparaissent plus diverses car il existe des structures isoles
ainsi que non
isoles [Viet02]. Des tudes sur les structures isoles ont dj t
menes [Li] [Ivanes02] [Lefvre02]. Ces
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
31
structures offrent des solutions afin de faire face au problme
de fort gain de tension. Lintroduction de la
commutation douce amliore le rendement du convertisseur en
profitant de linductance de fuite du
transformateur. Toutefois, mme si les structures isoles
permettent une grande souplesse dans les choix
des tensions, il est plus intressant dutiliser des structures
non isoles si elles garantissent les
performances. C'est pourquoi, nous allons nous intresser dans
cette tude aux structures lvatrices non
isoles que l'on retrouve sous le nom de BOOST. Plusieurs
variantes existent : le BOOST classique
entrelac (fig. 1.24), le double BOOST entrelac (fig. 1.25) et un
nouveau convertisseur propos baptis
double BOOST dual entrelac (fig. 1.26). Ces structures, quant
elles, rpondent bien aux contraintes de
cette gamme de puissance. En effet, le nombre de branches
dentrelacement de ces structures n'est pas
limit et permet de mieux sadapter avec la contrainte de fort
courant. D'autre part, la nature inductive de
lentre du convertisseur facilite le filtrage en entre. Par
contre, ces structures doivent faire face la
contrainte dun fort rapport de tension lorsquune tension de 700
V est dsire la sortie avec une tension
en entre de 60 V. Cette difficult est lorigine d'une la nouvelle
structure que nous proposons, le double
BOOST dual entrelac.
Fig. 1.24. BOOST entrelac 2 branches
Fig. 1.25. Double BOOST entrelac
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
32
Fig. 1.26. Double BOOST dual entrelac (IDD BOOST)
b) Modes de connexion envisageables : Pour cette gamme de
puissance, les deux modes de raccordement des convertisseurs
lmentaires sont
envisageables. En effet, lintrt de la mise en parallle de la
sortie est toujours la flexibilit du point de
vue de la modularit. Par contre, les exigences en tension
peuvent dgrader les performances de
lensemble du systme et la mise en srie de la sortie permet,
quant elle, de les adoucir. Pourtant, les
inconvnients que cette mise en srie implique dans le
dimensionnement et la fiabilit du convertisseur
complet ainsi raliss sont des limites. Nous allons, dans le
chapitre 3, tudier et comparer de faon
approfondie les structures des convertisseurs unitaires ainsi
que les possibilits de les connecter.
1.4. Conclusion :
Ce chapitre introductif nous permet de prsenter le contexte de
l'tude. D'un ct une source d'nergie
lectrique aux performances prometteuses mais qui ncessite la
mise en uvre d'une interface
d'lectronique de puissance pour adapter ces caractristiques la
charge. De l'autre, des intrts
conomiques qui obligent le concepteur de l'interface concevoir
des produits qui soient la fois
gnriques tout en garantissant le meilleur rendement. De ce
constat est ne l'ide d'une approche
modulaire de la conception du convertisseur. Cela sous entend le
choix d'une structure unitaire optimale
pour une gamme de puissance et des modes d'interconnections de
ces structures unitaires permettant de
garantir fiabilit et bon rendement l'ensemble. Les deux
chapitres qui vont suivre vont tre entirement
consacrs cette tude. Ainsi le chapitre 2 traitera du cas moyenne
puissance en posant les bases
permettant la comparaison des diffrentes solutions proposes et
une structure optimale sera propose
pour la gamme moyenne puissance. Le chapitre 3, quant lui, sera
consacr la gamme forte puissance.
Il sera aussi l'occasion d'tudier la nouvelle structure lvatrice
propose savoir le double BOOST dual
entrelac.
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
33
CHAPITRE 2
CONVERTISSEURS DE MOCONVERTISSEURS DE MOCONVERTISSEURS DE
MOCONVERTISSEURS DE MOYENNE PUISSANCEYENNE PUISSANCEYENNE
PUISSANCEYENNE PUISSANCE ::::
Modles de pertes et technique de lentrelacement
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
34
Table des matires du chapitre 2
2.1. Modles de pertes des composants :
------------------------------------------------------------36
2.1.1. Modles de pertes des semi conducteurs
:------------------------------------------------------- 36
2.1.1.1. Constitution des SC :
----------------------------------------------------------------------------------------
36 2.1.1.2. Modle des pertes dune cellule de commutation :
------------------------------------------------------ 38
2.1.2. Modle de pertes des inductances :
--------------------------------------------------------------- 42
2.1.2.1. Dimensionnement des inductances
:-----------------------------------------------------------------------
42 2.1.2.2. Mthode des plaques de Dowell :
--------------------------------------------------------------------------
43 2.1.2.3. Mthode de Dowell applique dans une inductance torique :
------------------------------------------ 46 2.1.2.4. Pertes fer
des inductances :
---------------------------------------------------------------------------------
49 2.1.2.5. Dimensionnement optimal des inductances :
-------------------------------------------------------------
50
2.1.3. Modle de pertes des condensateurs
:------------------------------------------------------------
53
2.2. Technique de lentrelacement :
-----------------------------------------------------------------53
2.2.1. Inductances de sortie :
------------------------------------------------------------------------------
54
2.2.2. Semi conducteurs :
-----------------------------------------------------------------------------------
57
2.2.3. Dimensionnement global du hacheur entrelac :
---------------------------------------------- 58 2.2.3.1.
Inductances
principales:-------------------------------------------------------------------------------------
58 2.2.3.2. Transistors :
---------------------------------------------------------------------------------------------------
59 2.2.3.3. Diodes
:--------------------------------------------------------------------------------------------------------
59 2.2.3.4. Condensateur de
sortie:--------------------------------------------------------------------------------------
59 2.2.3.5. Filtre LC en entre au ct des transistors
:---------------------------------------------------------------
59
2.3. Optimisation de la structure rpartition des pertes
:---------------------------------------60
2.3.1. Dimensionnement et pertes dans les inductances :
-------------------------------------------- 60
2.3.2. Stratgie de choix et pertes des semi conducteurs :
------------------------------------------- 62
2.3.3. Rpartition des pertes dans les convertisseurs:
------------------------------------------------ 67
2.4. Conclusion
:----------------------------------------------------------------------------------------69
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
35
objectif de ce chapitre est de dterminer une architecture
optimale de conversion pour la
gamme moyenne puissance. Pour cela, nous commencerons par la
construction des modles de
pertes dans les composants qui sont principalement les semi
conducteurs, les composants
bobins et les condensateurs. Ces modles de pertes constituent
une partie fondamentale afin dvaluer les
performances des structures non seulement pour la gamme moyenne
puissance mais aussi pour la gamme
forte puissance qui sera aborde dans le chapitre 3.
Le chapitre se poursuit avec ltude approfondie de la technique
de lentrelacement. En effet, cette
technique est une solution efficace pour rsoudre le problme de
fort courant impos par la pile mais elle
modifie les formes donde du courant et de la tension des
composants. Le dimensionnement de ceux-ci
nest plus vident comme dans les structures de base une branche.
En analysant les effets de cette
technique, nous pouvons construire le lien entre le
dimensionnement de la structure de base avec celui de
la structure entrelace. En suite, nous allons dimensionner
globalement le hacheur srie entrelac selon le
cahier des charges donn dans le chapitre prcdent.
Le choix des semi conducteurs est dlicat cause non seulement de
la diversit de leur technologie, de
leurs caractristiques mais encore de leur cot. Nous allons
discuter de ces aspects avec la cahier des
charges de la gamme moyenne puissance afin davoir une stratgie
de choix des SC raisonnable.
Aprs avoir dimensionn le convertisseur, choisi des composants
SC, nous tudierons, en appliquant les
modles de pertes des composants, la contribution des pertes de
chaque composant ainsi que danalyser la
rpartition des pertes dans celui-ci. Ces rsultats seront les
arguments afin dvaluer le rle et les
caractristiques importantes des composants lors de la conception
dun convertisseur.
Enfin, nous arriverons la conclusion dune structure optimale de
linterface dlectronique de puissance.
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
36
2.1. Modles de pertes des composants :
Les pertes dans les composants dun convertisseur sont toujours
une des proccupations des concepteurs
lors de la phase de conception. Elles affectent bien videmment
le rendement du systme mais ce nest
pas le seul inconvnient. Une augmentation des pertes se traduit
par la mise en place d'un systme de
refroidissement plus important et donc par une augmentation du
volume et du poids. Si les composants ne
sont pas refroidis correctement, lchauffement dgradera les
caractristiques de ceux-ci et pourra
conduire un fonctionnement incorrect du systme. De plus, ce
systme de refroidissement peut tre plus
lourd et plus encombrant que lensemble des parties lectriques et
lectroniques du convertisseur do la
ncessit de correctement le dimensionner en utilisant des modles
de pertes dans les composants
suffisamment fins.
Ce paragraphe se concentrera sur la construction des modles de
pertes des composants principaux du
convertisseur : les inductances, les semi conducteurs et les
condensateurs. Malgr lexistence des modles
danalyse permettant dtudier finement le comportement des
composants, nous allons construire des
modles de conception qui sont applicables et pratiques lors de
la phase de conception. Ceci est expliqu
par le fait que les modles danalyse sont souvent coteux en temps
de calcul et exigent des donnes
souvent inaccessibles pour le concepteur. Les modles de pertes
pour la conception du convertisseur
doivent assurer une prcision suffisante et tre relativement
simple afin dobtenir des rsultats viables tout
en permettant des calculs rapides. De plus, les entres demandes
doivent tre dans le catalogue fourni
avec le produit par le constructeur.
2.1.1. Modles de pertes des semi conducteurs :
Nous allons construire les modles de pertes des interrupteurs de
base en lectronique de puissance :
MOSFET, diode et IGBT. Ce sont aussi des semi conducteurs que
nous utiliserons dans nos applications.
Lors de ltude des pertes des interrupteurs, il est invitable
danalyser le fonctionnement dune cellule
MOS diode car llectronique de commutation nest rien dautre que
la combinaison de deux semi
conducteurs commutant entre eux. A partir de leur comportement,
nous arriverons former les modles
de pertes.
2.1.1.1. Constitution des SC :
a) MOSFET :
Depuis sa prsence sur le march des composants discrets en 1976,
son utilisation dans le domaine
dlectronique est fortement rpandue. Il peut remplacer les
composants bipolaires dans la gamme
moyenne tension (jusqu 500V) et moyenne puissance (de quelques
kilowatts) grce ses qualits :
-
Conception dune interface dlectronique de puissance pour Pile
Combustible
37
- Commande en tension donc faible nergie de commande.
- Grande vitesse de commutation grce labsence de stockage des
porteurs minoritaires.
- Robuste grce la forte capacit de surcharge et labsence du
phnomne de second claquage.
- Le coefficient de temprature de la rsistance Rds(on), tant
positif, offre une grande facilit dans la
mise en parallle et donc augmente la puissance transite.
La structure reprsentative dun MOSFET dans la figure 2.1
explique son principe de fonctionnement. En
effet, lorsque lon applique une tension Vgs entre la grille et
la source suprieure une tension de seuil
Vth, un canal est cr et relie les deux zones N+ et N-. Cela
permet