Conception d'une source hybride utilisant une pile à combustible et des supercondensateurs

Abstract

The design and testing of a purely supercapacitor energy storage device as auxiliary powersource in electrical vehicle applications having a PEM fuel cell as main source are presented.The two control strategies are explained. The control algorithms are that fuel cell is simplyoperating in almost steady state conditions in order to lessen the mechanical stresses of fuelcell and to ensure a good synchronization between fuel flow and fuel cell current.Supercapacitors are functioning during absence of energy from fuel cell, transient energydelivery or transient energy recovery.The system utilizes two modules of SAFT supercapacitive storage device. This device isconnected to a 42 V DC bus by a 2-quadrant dc/dc converter, and fuel cell is connected to thedc bus by a boost converter. The system structure is realized by analogical current loops anddigital control (dSPACE) for voltage loops and estimation algorithms. Experimental resultswith a 500 W PEM fuel cell point out the slow dynamics naturally of fuel cell because ofthermodynamic and mechanical operation, and also substantiate that the supercapacitors canimprove dynamics and power conditioning for automotive electrical system.L'étude, le dimensionnement et le test d'un dispositif de stockage d'énergie, à base desupercondensateurs, destiné à fonctionner dans un véhicule à pile à combustible sontprésentés dans cette thèse. Deux modes de commande sont détaillés. Leur but est de permettreun fonctionnement en quasi-statique de la pile à combustible afin de limiter les contraintesmécaniques sur la pile en accordant les débits de gaz à la demande en courant. Lessupercapacités interviennent lors du non-fonctionnement de la pile, lors de régimestransitoires ou de régimes de récupération.Le dispositif développé utilise deux modules de supercapacités SAFT. Il est connecté à un buscontinu 42 V par un convertisseur continu-continu deux quadrants, la pile à combustible étantconnectée au bus continu par un convertisseur élévateur. Le contrôle des courants est réaliséde manière analogique. Le contrôle des tensions et les algorithmes d'estimation utilisent unecarte numérique dSPACE. Les résultats expérimentaux présentés, obtenus avec une pile de500 W, ont souligné la lenteur naturelle des réponses de la pile à combustible et l'apport dessupercapacités pour des applications automobiles. Celles-ci améliorent grandement ladynamique et le contrôle énergétique du système