Contribution à la modélisation et au contrôle de compresseurs (Application à la gestion de l'air dans les systèmes piles à combustible de type PEM)

La pile à combustible se présente comme l'une des sources sûres du temps post pétrole ; cependant elle a du mal à s'imposer du fait de la non-maîtrise de nombreux aspects, notamment du système auxiliaire tel que le groupe moto-compresseur assurant l'alimentation en air de la pile, et qui consomme près de 20% de son énergie. Une meilleure maîtrise du système groupe moto-compresseur permettra d'accroître le rendement énergétique. La thèse présentée a été mené dans la continuité du projet du laboratoire SET de l'UTBM de mise en place d'une plate-forme Hardware-in-The-Loop (HIL) de conception de moto-compresseurs pour l'alimentation en air de pile à combustible PEMFC dédiée aux véhicules. La thèse a donc porté sur la modélisation d'un compresseur volumétrique de type Roots tri-lobes et du développement d'un modèle et du contrôle d'un système assurant l'alimentation en air d'une pile à combustible. Dans la première phase du travail, des études sont menées sur les différentes technologies de compresseurs (turbocompresseurs, compresseurs volumétriques) afin de voir leurs possibles intégrations dans un système d'alimentation en air d'une pile à combustible. Ces études montrent que même si le compresseur centrifuge et le compresseur scroll semblent être plus adaptés, le compresseur Roots-tri-lobes reste un candidat potentiel du fait de ces nombreux avantages : efficacité volumétrique, rendement, compacité, peu d'émission sonore, etc. La seconde phase porte sur le développement d'un modèle du compresseur Roots tri-lobes basé sur la détermination analytique des volumes de contrôle et de toutes les sections de fuite en fonction de l'angle de rotation avec un minimum d'hypothèses simplificatrices. Un modèle thermodynamique est associé au modèle géométrique afin de déterminer les autres grandeurs tels que la pression (P), la température (T) et les débits massiques (q). Le modèle est implémenté en VHDL-AMS pour la simulation. La troisième phase permet de valider le modèle, en mettant en place un banc d'essais dimensionné, automatisé, équipé de capteurs et un système d'acquisition et de commande dSPACE. Les résultats simulés comparés à l'expérimentation montrent des résultats très satisfaisant. La dernière phase de ces travaux consiste à la modélisation d'un système d'alimentation en air à partir d'éléments constitutifs de base c'est-à-dire : le compresseur Roots tri-lobes, le collecteur, et une vanne. Le modèle ainsi conçu est validé à partir du même banc d'essais, mais cette fois avec l'ajout d'une vanne papillon pour le contrôle de la pression. Deux dispositifs de contrôle à savoir : proportionnel intégral et la logique floue sont proposés pour le contrôle du système. L'implémentation des contrôleurs sur le banc d'essais permet de valider les travaux de modélisation et de simulation.The fuel cell is presented as one of the reliable sources in the futur energy mix. However some improvements have to be done before a large market introduction on many aspects, including the subsystems such as the air compressor providing air to the fuel cell. The air compressor consumes nearly 20% of the fuel cell system energy's. Better control of the system compressor will increase energy efficiency. The work presented in this thesis deals with the modeling and the simulation of a air compressor system that provides the required air for a fuel cell system. The final goal is to implement a Hardware-in-The-Loop or (HIL) platform for a fuel cell based electric vehicle. The thesis focuses on the modeling of a positive displacement compressor, i.e. a Roots three-lobe compressor, and of development of a canonical model of the fuel cell air supply system with its control structure. The thesis gives a comprehensive state of the art of fuel cell systems in order to understand the steady-state and transient behavior with related dynamical requirements. Further studies are done about the possibles compressors technologies. A positive displacement compressors ( superchargers) is proposed to be integrated to a fuel cell air supply system. Such studies show that even despite the fact that both centrifugal compressor and the scroll compressor have many advantages over other technologies, the roots-three-lobe compressor stills remains as a potential solution because of many advantages features such as volumetric efficiency, isentropic efficiency, compactness and low noise emissions. The research also proposes the development of an analytical model of the three-lobe compressor based on the analytical determination of the control volumes and the leakage sections, which depends on the orbital angle. A thermodynamic model is coupled with the geometric model in order to determine the physical quantities such as pressure (P), temperature (T), and the mass flow (q). Theses quantities are used to calculate the mechanical power, the volumetric efficiency and the isentropic efficiency. The model is implemented in the VHDL-AMS language for simulation. An experimental test bench is designed and implemented to validate the developed model using a scaled down set-up and fully automated with sensors through a data acquisition and control system based on dSPACE. The simulated results are compared with the experimental ones and show a very agreement and behaviour. Eventually, this work proposes the core air supply system for fuel cell ; the basic components such as a three-lobe compressor, manifold, and a control valve are integrated with the control algorithm. The developed model is validated using the same experimental set-up. However, a butterfly valve is used for the pressure control. Two control methodologies are tested : a proportional integral (PI) controller and a fuzzy logic (FL) controller. The implementation of the two controllers on the test bench shows a good behavors both in transcient and steady-state conditions. The fuzzy logic controller has a better transient response and a strong robustness against disturbances.BELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF