Dissertations / Theses on the topic 'Véhicule à hydrogène'

La conjoncture actuelle impose une accélération de la transition de la propulsion automobile thermique vers des alternatives zéro-émissions. Le véhicule électrique à batteries incarne, sur le court terme, l’alternative la plus crédible, mais son manque d’autonomie, de durée de vie, de flexibilité et de fiabilité freine son plein essor.L’optimisation de la gestion énergétique du pack batterie est un facteur clé pour l’amélioration des performances des véhicules électriques. La batterie représente toutefois un organe complexe évoluant au sein d’un environnement tout aussi complexe présentant de multiples interactions. La modélisation se présente alors comme l’outil le plus puissant pour obtenir la meilleure synergie possible au sein du système véhicule.L’objectif de cette étude consiste à développer une méthodologie universelle combinant la caractérisation expérimentale des batteries et la calibration d’un modèle électrochimique à l’échelle de la cellule.Les travaux permettent de caractériser et de modéliser les comportements électriques, thermiques et le vieillissement de batteries “pouch” extraites d’un véhicule électrique, ainsi que les interactions multiphysiques entre ces différents phénomènes.Le modèle est développé au sein de l’environnement GT-Suite, ce qui permettra par la suite d’intégrer le modèle cellule dans un modèle plus global représentant le système véhicule complet
The present context calls for an accelerated transition from internal combustion engines to zero-emission alternatives. In the short term, the battery electric vehicle is the most likely alternative, but its limited range, lifespan, flexibility and reliability are slowing down its full deployment.Optimising the energy management of the battery pack is a key factor in improving the performance of battery electric vehicles. However, the battery is a complex component evolving within an equally complex environment with multiple interactions. Modelling is therefore the most powerful tool to achieve the best possible synergy within the vehicle system.The objective of this study is to develop a general methodology combining experimental characterisation of batteries and calibration of an electrochemical model at the cell scale.The work allows to characterise and model the electrical and thermal behaviors and the aging of "pouch" batteries extracted from an battery electric vehicle, and the multiphysical interactions between these different phenomena.The model is developed within the GT-Suite environment, which will allow the integration of the cell model in a more global model representing the whole vehicle system

L ’intégration de systèmes mécaniques complexes soumis à des environnements vibratoirescontraignants nécessite de tenir compte, dès la conception, des sollicitations réelles d’usage.La thèse montre que l’environnement vibratoire ainsi que la durée d’exposition dépendent del’utilisation qui sera faite d’un système tout au long de son cycle de vie. L’ évaluation de sonl’utilisation repose sur l’ évolution conjointe du comportement des utilisateurs et du développementde la technologie du système.L’analyse de la sûreté de fonctionnement d’un système mécanique complexe a permis de considérerle système dans son ensemble et d’investiguer ainsi de fac¸on approfondie le comportementdynamique de composants critiques. La modélisation simple de systèmes mécaniques précisequalitativement et quantitativement les comportements dynamiques principaux et simule lessollicitations vibratoires auxquelles un composant critique identifié est soumis. Sur cette base, lamodélisation du comportement d’un composant mécanique permet d’ évaluer le dommage par fatiguequ’il subira. Cet indicateur apporte au concepteur une aide aux choix de la géométrie du composant.Enfin, l’environnement climatique ainsi que des impacts li ´es au fonctionnement interne du système,ont ´ et ´e pris en compte par la réalisation d’essais vibro-climatiques en fonctionnement. Ces étudesont été menées sur un système à pile à combustible intégré à un véhicule électrique à hydrogène.Elles ont permis de mettre au point un cheminement comme appui `a la conception des systèmesmécaniques complexes.Le cheminement pluridisciplinaire propos´e dans cette thèse repose donc sur l’interaction de travauxde recherche issus principalement des domaines de la sociologie, de la sûreté de fonctionnement etde la mécanique
The integration of complex mechanical systems subject to stringent vibration environments requiresconsideration of the real conditions of use from the beginning of the design phase.The thesis shows that the vibration environment and the duration of exposure to this environmentdepend on the use of the system throughout its life cycle. The evaluation of its use is based on thejoint evolution of both the user behavior and the system technology development.The dependability analysis of a complex mechanical system leads to consider the system as a wholeand thus to investigate in depth the dynamic behavior of critical components. A basic modeling ofthe mechanical system allows to qualitatively and quantitatively identify key dynamic behaviors anddetermines the vibration loads to which selected critical components are subjected. On this basis,modeling the behavior of a mechanical component leads to assess its fatigue damage. This indicatorhelps the designer in his choice of component geometry.Finally, the climatic environment as well as effects related to the internal functioning of the system,have been taken into account by performing vibro-climatic tests of on an operating systems, i.e. a fuelcell system integrated into a hydrogen electric vehicle. This helped to develop a procedure to supportthe design of complex mechanical systems

Ce mémoire présente une étude comparative de quatre stratégies de gestion énergétique temps réel, appliquées d'une part à un véhicule hybride thermique-électrique, et d'autre part à un véhicule électrique à pile à combustible : contrôle basé sur des règles empirique (RBS), minimisation de la consommation équivalente (A-ECMS), loi de commande optimale (OCL) établie à partir d'une modélisation analytique du système et programmation dynamique stochastique (SDP) associée à une modélisation des cycles de conduite par chaîne de Markov. Le principe du minimum de Pontryaguin et la programmation dynamique, applicables hors ligne, sont mis en œuvre pour fournir des résultats de référence. Les problèmes d’implémentation numérique et de paramétrage des stratégies sont discutés. Une analyse statistique effectuée sur la base de cycles aléatoires générés par chaînes de Markov permet d’évaluer la robustesse des stratégies étudiées. Les résultats obtenus en simulation, puis sur un dispositif expérimental montrent que les méthodes les plus simples (RBS ou OCL) conduisent à des consommations élevées. SDP aboutit aux meilleures performances avec en moyenne la plus faible consommation de carburant dans les conditions réelles de conduite et un état énergétique final du système de stockage parfaitement maîtrisé. Les résultats d’A-ECMS sont comparables à ceux de SDP en moyenne, mais avec une plus grande dispersion, en particulier pour l'état de charge final. Afin d'améliorer les performances des méthode, des jeux de paramètres dédiés aux différents contextes de conduite sont considérés
This thesis presents a comparative study between four recent real-time energy management strategies (EMS) applied to a hybrid electric vehicle and to a fuel cell vehicle applications: rule-based strategy (RBS), adaptive equivalent consumption minimization strategy (A-ECMS), optimal control law (OCL) and stochastic dynamic programming (SDP) associated to driving cycle modeling by Markov chains. Pontryagin’s minimum principle and dynamic programming are applied to off-line optimization to provide reference results. Implementation and parameters setting issues are discussed for each strategy and a genetic algorithm is employed for A-ECMS calibration.The EMS robustness is evaluated using different types of driving cycles and a statistical analysis is conducted using random cycles generated by Markov process. Simulation and experimental results lead to the following conclusions. The easiest methods to implement (RBS and OCL) give rather high fuel consumption. SDP has the best overall performance in real-world driving conditions. It achieves the minimum average fuel consumption while perfectly respecting the state-sustaining constraint. A-ECMS results are comparable to SDP’s when using parameters well-adjusted to the upcoming driving cycle, but lacks robustness. Using parameter sets adjusted to the type of driving conditions (urban, road and highway) did help to improve A-ECMS performances

Le biogaz doit être purifié pour devenir un combustible renouvelable. De nombreux traitements actuels ne sont pas satisfaisants car, pour des raisons de coûts les procédés de séparation privilégiés aboutissent souvent au rejet direct ou indirect du sulfure d'hydrogène (H2S) à l’atmosphère, c’est le cas de la séparation à l’eau sous pression. Les objectifs de la thèse portent d’abord sur l’étude et la modélisation des méthodes connues de séparation de l'hydrogène sulfuré du méthane. Les concentrations typiques varient de 200 à 5000 ppm, et la séparation devra réduire la teneur résiduelle en H2S à moins de 1 ppm. Parallèlement seront étudiées les méthodes de traitement de H2S. Une fois la (ou les) méthode(s) de séparation sélectionnée(s), des essais de validation seront effectués sur un système traitant de l’ordre de 85 Nm3/h de méthane où seront injectées des quantités de H2S variant entre 1 et 100 ppm.Cette thèse requiert des modélisations réalistes sous Aspen Plus® ou sous un code équivalent pour établir a priori des efficacités de séparation selon différentes conditions opératoires et en prenant en compte le paramètre température. L’énergie dépensée pour la séparation effective sera un des critères fort de la comparaison, de même que l’économie de matière.Une approche système est indispensable pour étudier la rétroaction de la méthode de valorisation du H2S sur la ou les méthodes séparatives. A priori c’est aussi l’outil Aspen Plus® ou équivalent qui permettra cette approche système.L’étude du procédé sera menée selon la double approche modélisation et expérimentation, pour l’étude expérimentale des méthodes séparatives, l’échelle du banc sera semi-industrielle et le banc permettra d’étudier les méthodes de séparation jusqu’à -90°C
Biogas must be purified for becoming a renewable fuel. At now, the most part of the purification techniques are not satisfactory because they imply hydrogen sulfides (H2S) rejection to the atmosphere. One example of these methods is the treatment with high pressure water. The first objective of the thesis is modeling the conventional methods for separating H2S from methane. Typical concentrations of H2S in methane vary from 200 to 5000 pm. Separation methods must decrease the concentration of H2S in methane to less than 1 ppm. At the same time, methods for H2S treatment will be studied.Once the most appropriated separation methods will be selected, some test will be carried out on a pilot plant capable of treating 85 Nm3/h of methane, where quantities of H2S ranging from 1 and 100 ppm will be injected. These tests will allow validating the modeling of the separation process. On the basis of the obtained results, a specific test bench will be conceived and constructed for validating the selected process.The thesis work requires simulating the separation process using the software Aspen Plus® or an equivalent one. The effectiveness of different operative conditions will be tested, varying also the parameter temperature. The energy necessary for the separation will be one of the most important criteria for the comparison, as well as the mass consumption of the different fluids involved in the process.A system approach is fundamental for evaluating the backward effect of the H2S valorization method on the separation techniques. The process simulator (Aspen Plus® or equivalent) will allow the system approach.The study will involve modeling and experimental parts. The experimental part will be carried out taking advantage of a semi-industrial size test bench, allowing studying the separation methods down to -90°C

Le stockage d'hydrogène reste un défi pour son utilisation comme carburant dans les applications mobiles. Malgré une masse élevée, le stockage dans les hydrures métalliques présente des avantages en terme de sécurité et de capacité volumique. Dans ce travail, plusieurs familles d'hydrures ont été étudiées pour répondre au cahier des charges d'un réservoir principal ou d'un réservoir tampon de démarrage à froid. Les propriétés thermodynamiques des hydrures type LaNi5 et TiFe ont été ajustées par le jeu de substitutions permettant d'obtenir des composés potentiellement utilisables dans ces deux types de réservoirs. Afin d'augmenter la capacité massique, l'influence de l'élément M sur les propriétés thermodynamiques d'hydrures plus légers de type solution solide Ti-V-M (M=Mn,Fe,Co,Ni) a été étudiée montrant de bonnes propriétés d'hydrogénation pour le composé au fer. Enfin, la découverte de la réactivité vis-à-vis de l'hydrogène du composé Ti3Si ouvre une nouvelle voie
Hydrogen storage remains an issue for its use in mobile applications. Despite its weight, storage in metal hydrides presents advantages in term of safety and volumic capacity. In this work, several families of hydrides have been studied to answer to the working conditions of a main tank or a buffer tank for cold start. The thermodynamic properties of LaNi5 and TiFe type hydrides have been adjusted by suitable substitutions allowing to obtain potentially usable compounds for both kinds of tanks. In order to increase the weight capacity, the effect of M element on thermodynamics properties of lighter hydrides based on Ti-V-M solid solutions (M=Mn, Fe, Co, Ni) has been studied showing the best hydrogenation properties for the Fe compound. Finally, the discovery of hydrogen reactivity of the Ti3Si compound opens new routes

Les piles à combustibles sont considérées comme une énergie d’avenir, notamment grâce à leur caractère non polluant à l’usage. Cependant, le déploiement de ces solutions à grande échelle est encore conditionné par l’amélioration de leurs performances et surtout de leur durabilité afin de garantir une industrialisation à faible coût. L’application de la pile à combustible au domaine des transports impose en plus un fonctionnement à puissance variable, ce qui complique l’amélioration des performances et de la durabilité. L’approche retenue pour ces travaux consiste en la conception d’une loi de gestion du système qui génère les conditions opératoires optimales à appliquer au stack (pressions, température, courant, stoechiométries) en fonction de la demande en puissance, de l’état de santé de la pile (perte de surface active) et du taux d’humidité actuel. L’optimalité est entendue au sens de l’augmentation du rendement système et de la diminution des dégradations du platine et de la membrane. Cette loi se base sur des modèles de dégradations et de performances d’un système pile à combustible. Cette loi de gestion requiert pour fonctionner les données de l’état de santé de la pile et du taux d’humidité. L’évaluation de l’état de santé de la pile fait déjà l’objet de nombreux travaux de diagnostic. En revanche, le taux d’humidité doit être estimé par un observateur d’état car les capteurs d’humidité ne sont pas fiables pour une application transport. Pour cela, un observateur d’état a été développé pour estimer les humidités relatives dans les canaux du stack et aussi le chargement en eau de la membrane, la quantité d’hydrogène à l’anode ainsi que la saturation d’azote à l’anode. Cette dernière donnée permet de proposer une stratégie de purge pour une architecture dead-end basée sur la saturation d’azote, qui limite les pertes en hydrogène et réduit les dégradations liées à cette architecture
Fuel cells are considered as a promising source of energy for the future, thanks to their non-polluting aspect. However, the deployment of these solutions on a large scale is still conditioned by the improvement of their performance and especially of their durability in order to guarantee a low cost industrialization. The transport application also imposes a variable power demand, which complicates the improvement of performance and durability. The approach adopted for this work consists of the design of a system management law that generates the optimal operating conditions to be applied to the stack (pressures, temperature, current, stoichiometries) as a function of the power demand, the state of health (active surface loss) and current humidity. Optimality is understood in the sense of increasing system efficiency and decreasing the degradation of the membrane and the platinum dissolution. This law is based on degradation and performance models of a fuel cell system. This management law requires in real time the data of the state of health of the fuel cell and the humidity rate. The assessment of the state of health is already the subject of many diagnostic work. On the other hand, the humidity rate must be estimated by a state observer because the humidity sensors are not reliable for a transport application. Therefore, a state observer was developed to estimate the relative humidities in the stack channels and also the membrane water content, the hydrogen at the anode as well as the nitrogen saturation at the anode. This last data makes it possible to propose a purge strategy for a dead-end architecture, based on nitrogen saturation, which limits the losses in hydrogen and reduces the damage associated with this architecture

Les travaux de cette thèse portent sur l’investigation d’approches de commande et de supervision permettant d’aborder la problématique de gestion d’énergie des réseaux électriques multi-sources. l’objectif souhaité était de proposer une démarche de conception de lois de commande pour ce type de système en vue de réguler la tension de sortie et de gérer d’une manière optimale les flux d’énergie entre les différentes sources et les consommateurs et au vu de minimiser la consommation d’hydrogène.A cette fin, deux configurations ont été envisagées :l’application d’approches à base d’un modèle statique et des stratégies à base d’un modèle dynamique de la PàC. Dans un premier temps, trois approches de gestion énergétique ont été appliquées au système visant à minimiser la consommation de masse d’hydrogène tout en respectant les contraintes physiques du système.Tout d’abord, l’optimisation est réalisée en utilisant une méthode d’optimisation hors ligne appelée la programmation dynamique. Deuxièmement, deux approches d’optimisation en ligne sont utilisées : stratégies ECMS et MPC. Une comparaison en termes de consommation d’hydrogène et de temps de calcul est réalisée.Dans un deuxième temps, une approche décentralisée de commande a été envisagée afin de tenir compte du modèle dynamique de la PàC dans la conception du superviseur. L’avantage de cette architecture réside dans sa capacité a aborder séparément chacune des problématiques dans l’optique de répondre aux différents objectifs de commande. Dans ce cadre, la régulation du système PàC et de l’état de charge de l’ESS est réalisée séparément avec deux contrôleurs différents, tous deux conçus en utilisant l’approche (MPC-LTV). Les troisième et quatrième niveaux de la structure de contrôle décentralisée consistent en des boucles de locale des courants de la PàC et de SC et un contrôle de tension du bus continu, conçu à l’aide de contrôleurs PI. La validation de la structure de contrôle est réalisée en simulation en utilisant un modèle non linéaire du système PàC.A la fin, les approches de commande conçues à base du modèle statique de la PàC (DP, ECMS et MPC) seront appliquées sur le modèle dynamique de cette dernière afin d’évaluer les performances de ces approches et d’en déduire des conclusions sur l’apport de l’intégration de la dynamique de la PàC dans la synthèse des lois de commande
This thesis focuses on the investigation of control approaches to treat the issue of energy management of multi-source electrical networks. The considered electric motor supply system consists on a fuel cell as a main energy source and an additional element that supplies peak power and charges by regenerative braking. At first, three energy management strategies have been applied to the sypply system aiming to minimize the fuel cell hydrogen mass consumption while satisfying the system physical constraints. First, the optimization is realized using dynamic programming,an off-line optimization method that requires the knowledge of the entire power load profile. Secondly, twoon-line optimization approaches are used : ECMS and MPC strategies, for which only the current power demand is demanded.The second part of this thesis presents a decentralized control strategy applied to the power system. The dedicated control structure aims to assure an optimal operation of the FC system while respecting the compressor physical limits and to control the converter current sand network output voltage. To attain these objectives, a dynamic model of the FC system is used,in addition to the SSE and electric network dynamics. The FC system regulation and the control of the SSE state of energy are performed separately with two different controllers, both designed using (MPC-LTV) approach. The third and fourth levels of the decentralized control structure consists on inner control loops for fuel cell/supercapacitor currents and a DC bus voltage control loop, designed using PI controllers. The validation of the control structure is performed in simulation using a nonlinear models of the FC system and the SSE. To validate and compare the performance of different control methods based on a fuel cell static model, these approaches have been applied to the dynamic model of the FC and compared to the results obtained by applying the approched designed and based on an FC dynamic model. A comparison in terms of network efficiency and hydrogen consumption has been done

Pour maximiser la contribution des véhicules hybrides électriques (HEV) à la décarbonation du secteur des transports, il est essentiel de prendre en compte leur performance énergétique lors de la phase de conception. Cependant, les chemins supplémentaires de flux de puissance pour la propulsion agissent à la fois comme un avantage et comme une couche supplémentaire de complexité dans la conception du véhicule. En effet, évaluer la consommation d'un HEV nécessite la définition d'un contrôle de supervision, appelé Loi de Gestion d'Énergie (LGE). Ainsi, optimiser la conception exige la combinaison d'un problème d'optimisation statique (la structure du système) avec un problème dépendant du temps (son contrôle), qui doivent être pris en compte de manière conjointe.Cette co-optimisation structure/contrôle est généralement abordée soit en imbriquant des algorithmes de contrôle optimal dans un algorithme d'optimisation général pour la structure, soit en utilisant de l'optimisation convexe pour optimiser simultanément les deux niveaux. Cependant, la première approche est connue pour avoir des contraintes computationnelles, tandis que la seconde peut affecter la fidélité de la modélisation en raison de contraintes de convexité.Sous une nouvelle perspective, cette thèse introduit une méthodologie pour développer des modèles explicites pour estimer la consommation d'énergie de groupes motopropulseurs, nommés dans ce travail Modèle Explicite de Consommation du Groupe Motopropulseur (EPCM). Ils sont développés à l'aide de modèles de composants pour considérer les pertes de puissance, puis en introduisant un deuxième niveau de modélisation pour prendre en compte l'impact des variations de dimensionnement sur l'estimation des pertes. Une telle formulation peut être utilisée comme une fonction objectif efficace d'un problème d'optimisation qui reste statique, tout en permettant une analyse explicable par l'homme pour des problèmes réduits.La thèse présente le développement de la méthodologie en utilisant un véhicule hybride électrique à pile à combustible (FCHEV) comme véhicule de référence. Outre la modélisation des composants couramment présents dans les véhicules électriques, elle inclut un modèle pour le système de pile à combustible, tout en considérant également des modèles pour l'électronique de puissance, souvent négligée dans ce type d'études. Elle présente d'abord les modèles de composants pris en compte, puis les modèles de variation de dimensionnement (les modèles prédictifs), avant de développer les EPCMs et de les utiliser pour la co-optimisation.La validation des modèles de composants à l'aide d'une Toyota Mirai II sur un banc à rouleaux présente une erreur globale de moins de cinq pour cent, tandis que l'étude visant à évaluer l'impact des modèles prédictifs sur la consommation d'hydrogène a donné des erreurs inférieures à deux pour cent par rapport aux modèles de référence. Ensuite, une évaluation de l'utilisation des EPCM explore les hypothèses nécessaires pour garantir une formulation explicite, et la co-optimisation du groupe motopropulseur de la Mirai II montre qu'un EPCM utilisant une LGE affine est une approximation raisonnable pour la co-optimisation aux premières étapes de conception du véhicule, tout en réduisant le temps d'évaluation d'un facteur de 100. Cette étude est ensuite étendue avec des problèmes réduits pour observer l'impact du dimensionnement de l'EM uniquement, puis du niveau d'hybridation, aboutissant à des expressions linéaires et quadratiques pour la consommation de carburant et les contraintes d'optimisation, qui peuvent être utilisées pour dériver rapidement des analyses de la performance énergétique du véhicule.Bien que les résultats montrent que l'état actuel de la méthodologie peut être utilisé pour la co-optimisation des FCHEV, la thèse explore davantage les points d'amélioration de la méthodologie et suggère des applications alternatives pour consolider sa validité et sa pertinence
To maximize the contribution of hybrid electric vehicles (HEV) to the decarbonization of the transportation sector, it is essential to maximize their energy performance during the design phase. However, the additional power pathways to propel the vehicle act both as an advantage and an added layer of complexity. Indeed, evaluating the consumption of an HEV requires defining a supervisory control, known as Energy Management Strategy (EMS). Therefore, optimizing the design entails combining a static optimization problem (system's plant) with a time-dependent problem (its control), both of which must be considered in tandem.This plant/control co-optimization is typically tackled through either nesting optimal control algorithms within each iteration of a general optimization algorithm for the plant, or employing convex optimization to simultaneously optimize both layers. However, the former approach is known to be limited by computational constraints, while the latter may impact modeling fidelity due to convexity constraints.As a different perspective, this thesis introduces a methodology for developing explicit models to estimate powertrain energy consumption, referred to in this work as the Explicit Powertrain Consumption Model (EPCM). They are developed using component models to account for power losses, then by introducing a second modeling level to consider the impact of sizing variations on loss estimation. Such a formulation can be used as a computationally efficient objective function of an optimization problem that remains static, while enabling human-explainable analysis for reduced problems.The thesis presents the methodology development while using a Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle (FCHEV) as a reference vehicle. Besides modeling components commonly found in electric vehicles, it includes a model for the fuel cell system, while further considering models for the power electronics, often overlooked in vehicle design studies. It first introduces the considered component models, then the models for the sizing variation (i.e., the predictive models), before developing the EPCMs and using them for the co-optimization.The validation of the component models using a Toyota Mirai~II on a roller test bench presents an overall error of less than five percent, while the study to assess the impact of the predictive models on the hydrogen consumption resulted in errors below two percent when compared to reference models. Then, an assessment of the usage of EPCMs explores the assumptions required to ensure an explicit formulation; and the co-optimization of the Mirai~II powertrain shows that an EPCM using an affine EMS can be a fair approximation for the co-optimization at the vehicle's first design stages, while reducing the evaluation time by a factor of 100. This study is further extended with reduced problems to observe the impact of the EM sizing only, then of the hybridization level, resulting in linear and quadratic expressions for the fuel consumption and the optimization constraints, which can be used to quickly derive analyses of the vehicle's energy performance.Although the results show that the current state of the methodology can be used for the co-optimization of FCHEVs, the thesis further explores its improvement points and suggests alternative applications to solidify its validity and relevance

Les travaux de thèse sont associés au projet AsDeCoEUR (Analyses De Composants Energétiques en Usage Réel). Ce projet s’inscrit dans le contexte actuel de la mise en œuvre des nouvelles technologies de l’énergie pour la mobilité et porte plus spécifiquement sur l’étude des composants batterie et pile à combustible situés au coeur des chaines de traction électriques. Le projet souhaite s’appuyer sur les travaux déjà réalisés par les acteurs UTBM et IFSTTAR de la fédération de recherche FCLAB dans le projet Mobypost qui a permis l’expérimentation en usage réel sur deux sites de La Poste en région Franche-Comté d’une flotte de 10 véhicules électriques à pile à combustible et batterie.Pendant l’expérimentation Mobypost, tous les véhicules du projet enregistrent les nombreuses données physiques de leur chaine de traction. L’ensemble de ces informations constitue aujourd’hui une base très riche à exploiter. Dans le projet AsDeCoEUR, nous proposons une démarche scientifique menée autour d’un travail de thèse visant à comprendre le comportement dynamique, d'étudier le vieillissement et d'estimer l'état de santé des composants énergétiques batterie et pile à combustible en usage réel. Cette démarche est basée sur l’analyse des données enregistrées sur ces composants dans le projet Mobypost et est renforcée par des expérimentations spécifiques et maitrisées en laboratoire. La mise en oeuvre des compétences et des outils d’analyse numériques développés notamment pour les batteries par le laboratoire Ampère et l’IFSTTAR vise à comprendre et reproduire les phénomènes de dégradation des composants étudiés. Les travaux permettent au final, en associant les compétences des enseignants-chercheurs et chercheurs de l’UFC, de l’UTBM, de l’IFSTTAR et du laboratoire Ampère sur ce sujet, de contribuer à l’étude du vieillissement et d'estimer l'état de santé en usage réel des batteries et des piles à combustible ce qui constituent une avancée remarquable dans ce domaine, notamment en vue de l’industrialisation de véhicules équipés de ce type de composants
These thesis works are associated to the AsDeCoEUR project. This project is part of the current context of the development of new energy technologies for mobility and focuses more specifically on the study of battery and fuel cell components located in the heart of electric power train. The project is based on the work already carried out by the UTBM and IFSTTAR actors of the FCLAB research federation among the Mobypost project. Mobypost european project has allowed the experimentation of a fleet of 10 fuel cell electric vehicles under actual operating conditions on two postal platforms in the Franche-Comté region.During the Mobypost experiment, a deep monorting was performed on all the vehicles so numerous physical data of their power train were recorded. All of these information now constitutes a very rich database to exploit. Among the AsDeCoEUR project, we propose a scientific approach carried out around a thesis work wich aims at understanding dynamic behavior, studying aging and estimating the state of health of batteries and fuel cells in real use. This approach is based on the analysis of the data recorded on these components among the Mobypost project and is reinforced by specific experiments set up in the laboratory. The implementation of skills and digital analysis tools developed especially for batteries by the Ampère laboratory and IFSTTAR aims at understanding and reproducing the degradation phenomena. The works should finally allow, by combining the skills of UFC, UTBM, IFSTTAR and Ampère laboratory researchers, to contribute to the study of batteries and fuel cells aging and to estimate their state of health under actual operating conditions. This constitutes a remarkable advance in this field, particularly with a view to the industrialization of vehicles equipped with this type of component

L'hydrogène à travers de l'utilisation des piles à combustible (PAC), est de plus en plus considéré comme une option énergétique possible au secteur des transports grâce à ces caractéristiques fonctionnelles. Cependant, la technologie liée à la mise en œuvre de véhicules alimentés par une pile à combustible n'a pas encore atteint le niveau de maturité requis. Ainsi, ce travail propose de traiter certaines de ces limitations qui existent encore. Plus précisément, trois thèmes représentent les objectifs de ce travail : Le dimensionnement optimal des éléments présents dans un véhicule hybride à pile à combustible. La gestion d'énergie optimale pour les applications en temps réel et intégrant les contraintes dynamiques du système PAC. Inclusion de la durabilité de la pile à combustible dans la gestion d'énergie du véhicule. Le premier thème est abordé à travers l'élaboration d'une méthodologie de dimensionnement adapté à un véhicule hybride à la pile à combustible. Dans une approche systématique, le dimensionnement proposé combine les exigences de performance présente dans les spécifications techniques du véhicule, les algorithmes d'optimisation, l'analyse de la mobilité de la population et la viabilité économique de la conception. Le deuxième objectif établi a été développé à l'aide d'une approche d'optimisation de la répartition de puissance entre la batterie et le système PAC. Par l'adoption d'une méthode d'optimisation globale combinée à une stratégie de commande prédictive et l'inclusion de la dynamique du système PAC, un algorithme de gestion d'énergie pour des applications de temps réel a été conçu. Enfin, la durabilité de la pile à combustible a été incluse dans ce travail par l'intégration de sa dynamique de dégradation dans le problème d'optimisation lié à la gestion d'énergie. Cette dynamique représente une contrainte à prendre en considération lors de la répartition de puissance entre le système PAC et la batterie
The hydrogen, through the use of fuel cell stacks (FC), has been increasily considered as an energy possible option for the transport sector. Nevertheless, the technology related to its implementation in fuel cell vehicles has not reached the required maturity level. Therefore, this work intends to deal some of these existing limitations. More precisely, three topics represent the objectives of this work: The optimal sizing of the element present in the fuel cell hybrid vehicle. The development of an optimal energy management strategy oriented for real time applications and including the dynamic constraints of the FC system. The inclusion of the fuel cell durability in the vehicle energy management strategy. The first topic is tackled by the development of a sizing methodology adapted to the fuel cell hybrid vehicle application. Using a systematic approach, the proposed sizing method combine the performance requirements present in the vehicle's technical specifications, optimization algorithms, population mobility behavior and the economic viability of the design. The second assigned objective was developed using an optimization approach for the power split between the battery and the FC system. Through the adoption of a global optimization method allied with a predictive control strategy and the inclusion of the FC system dynamics, it was created an energy management algorithm oriented for real time applications. Finally, the fuel cell durability was included in this work by the integration of its degradation dynamics in the optimization problem, which is related to the vehicle's energy management. Such dynamic represents a constraint that should be taken into account in the power sharing between the FC system and battery

Le contexte environnemental (réchauffement climatique) et économique (épuisement des ressources en énergies fossiles) entraîne une nécessaire mutation du paysage énergétique mondial. L'hydrogène est présenté comme un vecteur d'énergie propre pouvant, par l'intermédiaire d'une pile à combustible, fournir de l'électricité pour diverses applications (nomade, portable, automobile et stationnaire). Cependant, son développement reste tributaire de son mode de stockage. Parmi les composés présentant de bonnes capacités de stockage, le borohydrure de sodium NaBH4 se distingue puisqu'il permet aussi un dégagement contrôlé de l'hydrogène d'après la réaction d'hydrolyse suivante : ( ) (2 ) ( ) ( ) 4 ( ) 4 2 2 2 2 NaBH ++ x H O l→NaBO . xH O + H g Il constitue ainsi une solution sûre et facile d'utilisation, et est donc envisageable pour des applications grand public. La thèse avait pour objectif l'approfondissement des connaissances relatives à la réaction catalysée d'hydrolyse du borohydrure de sodium selon deux axes principaux: la catalyse de la réaction et l'étude des produits d'hydrolyse. Concernant le premier axe, notre objectif était de mieux comprendre et d'améliorer la cinétique de la réaction d'hydrolyse, les catalyseurs étudiés étant à base de cobalt. Un catalyseur " modèle " a été utilisé et comparé à des nanoparticules métalliques synthétisées et d'autres espèces chimiques à base de cobalt (oxyde, hydroxyle et carbonate). Le modèle cinétique de Langmuir-Hinshelwood a permis de décrire la cinétique de l'hydrolyse. Un mécanisme réactionnel basé sur les adsorptions en surface du catalyseur de BH4 - et de H2O a été proposé. Enfin, la nature des sites actifs en surface a été discutée. En ce qui concerne le second axe de la thèse, nous avions deux objectifs : identifier les phases formées en fonction des conditions expérimentales et approfondir les connaissances thermodynamiques du système binaire NaBO2-H2O pour définir les différents équilibres se formant à l'issu de la réaction d'hydrolyse. Pour ce faire, les borates ont d'abord été synthétisés, puis caractérisés en termes de structure cristallographique et de stabilité en température. C'est ainsi qu'un nouveau borate de sodium, Na3[B3O4(OH)4] ou NaBO2*2/3H2O, a été obtenu. D'autre part, l'étude des équilibres liquide+solide, solide+solide et liquide+vapeur nous a permis d'établir le diagramme binaire NaBO2-H2O à pression atmosphérique.

Quel cadre économique et réglementaire à long terme (2030-50) pour soutenir la transition énergétique des carburants fossiles vers l’hydrogène dans le secteur européen des transports ? Cette recherche combine les approches théoriques et empiriques pour répondre aux trois questions suivantes :1. Comment concevoir des politiques de soutien adaptées pour pallier les imperfections de marché lors du déploiement de technologies de mobilité hydrogène ?2. Comment modéliser les coûts d’abattement en tenant compte des effets d’apprentissage (LBD) ?3. Comment définir la trajectoire optimale de déploiement quand le LBD et la convexité des coûts d’investissement sont présents ?L’article ‘Transition vers un Système de Transport de Passagers à Hydrogène : Analyse Politique Comparée’ passe au crible des politique de soutien destinées à résoudre les imperfections de marché dans le déploiement de la mobilité hydrogène. L’article effectue une comparaison internationale entre les instruments en faveur du déploiement des véhicules. Les indicateurs ex post d’efficacité des politiques sont développés et calculés pour classifier les pays selon leur volontarisme dans la promotion des véhicules à piles à combustible (FCEV). Aujourd’hui le Japon et le Danemark apparaissent comme les meilleurs fournisseurs d’un environnement favorable au déploiement de la mobilité hydrogène. Les autorités locales introduisent de solides instruments prix (tels que des subventions et des exemptions fiscales) pour rendre le FCEV plus attractif par rapport à son analogue à essence et coordonnent le déploiement de l’infrastructure hydrogène sur le territoire.L’article ‘Modélisation des Coûts d’Abattement en Présence d’Effets d’Apprentissage : le Cas du Véhicule à Hydrogène’ présente un modèle de transition du secteur des transports d’un état polluant à un état propre. Un modèle d’équilibre partiel est développé pour un secteur automobile de taille constante. L’optimum social est atteint en minimisant le coût de la transition du parc automobile au cours du temps. Ce coût comprend les coûts privés de production des véhicules décarbonés (sujets aux effets d’apprentissage) ainsi que le coût social des émissions de CO2 qui suit une tendance haussière exogène. L’article caractérise la trajectoire optimale qui est un remplacement progressif des véhicules polluants par les décarbonés. Au cours de la transition, l’égalisation des coûts marginaux tient compte de l’impact des actions présentes sur les coûts futurs via l’effet d’apprentissage. L’article décrit aussi une trajectoire sous-optimale où la trajectoire de déploiement serait une donnée exogène : quelle serait alors la date optimale de début de la transition ? L’article présente une évaluation quantitative de la substitution des FCEV aux véhicules à combustion interne (ICE). L’analyse conclut que le FCEV deviendra une option économiquement viable pour décarboner une partie du parc automobile allemand à l’horizon 2050 dès que le prix du carbone atteindra 50-60€/t.L’article ‘Le rôle des Effets d’Apprentissage dans l’Adoption d’une Technologie Verte : le Cas LBD Linéaire’ étudie les caractéristiques d’une trajectoire optimale de déploiement des véhicules décarbonés dans le cas où les effets d’apprentissage et la convexité sont présents dans la fonction de coût. Le modèle d’équilibre partiel de Creti et. al (2015) est utilisé comme point de départ. Dans le cas LBD linéaire la trajectoire de déploiement optimale est obtenue analytiquement. Un apprentissage fort induit une transition antérieure vers les véhicules verts dans le cas d’une convexité faible et une transition ultérieure dans le cas d’une convexité forte. Ce résultat permet de revisiter le projet H2 Mobility en Allemagne. Un effet d’apprentissage plus fort et une accélération du déploiement aboutissent à une transition moins coûteuse et une période de cash flow négatif plus courte
What economic and policy framework would foster a transition in the European transport sector from fossil fuels to hydrogen in the long term (2030-50)? This research combines empirical and theoretical approaches and aims to answers the following questions:1. How to design appropriate policy instruments to solve inefficiencies in hydrogen mobility deployment?2. How to define abatement cost and an optimal launching date in the presence of learning-by-doing (LBD)?3. How to define an optimal deployment trajectory in presence of LBD and convexity in investment costs?The paper ‘Transition Towards a Hydrogen-Based Passenger Car Transport: Comparative Policy Analysis‘ draws a cross-country comparison between policy instruments that support the deployment of Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV). The existing policy framework in favour of FCEV and hydrogen infrastructure deployment is analysed. A set of complementary ex-post policy efficiency indicators is developed and calculated to rank the most active countries, supporters of FCEV. Denmark and Japan emerge as the best providers of favourable conditions for the hydrogen mobility deployment: local authorities put in place price-based incentives (such as subsidies and tax exemptions) making FCEV more financially attractive than its gasoline substitute, and coordinate ramping-up of their hydrogen infrastructure nationally.The paper ’Defining the Abatement Cost in Presence of Learning-by-doing: Application to the Fuel Cell Electric Vehicle’ models the transition of the transport sector from a pollutant state to a clean one. A partial equilibrium model is developed for a car sector of a constant size. In this model the objective of the social planner is to minimize the cost of phasing out a stock of polluting cars from the market over time. The cost includes the private cost of green cars production, which are subject to LBD, and the social cost of carbon, which has an exogenous upward trend. During the transition, the equalization of marginal costs takes into account the fact that the current action has an impact on future costs through LBD. This paper also describes a suboptimal plan: if the deployment trajectory is exogenously given, what is the optimal starting date for the transition? The paper provides a quantitative assessment of the FCEV case for the substitution of the mature Internal Combustion Engine (ICE) vehicles. The analysis concludes that the CO2 price should reach 53€/t for the program to start and for FCEV to be a socially beneficial alternative for decarbonizing part of the projected German car park in the 2050 time frame.The impact of LBD on the timing and costs of emission abatement is, however, ambiguous. On the one hand, LBD supposes delaying abatement activities because of cost reduction of future abatement due to LBD. On the other hand, LBD supposes starting the transition earlier because of cost reduction due to added value to cumulative experience. The paper ‘The Role of Learning-by-Doing in the Adoption of a Green Technology: the Case of Linear LBD’ studies the optimal characteristics of a transition towards green vehicles in the transport sector when both LBD and convexity are present in the cost function. The partial equilibrium model of (Creti et al., 2015) is used as a starting point. For the case of linear LBD the deployment trajectory can be analytically obtained. This allows to conclude that a high learning induces an earlier switch towards green cars in the case of low convexity, and a later switch in the case of high convexity. This insight is used to revisit the hydrogen mobility project in Germany. A high learning lowers the corresponding deployment cost and reduces deepness and duration of the, investment ‘death valley’ (period of negative project’s cash flow). An acceleration of exogenously defined scenario for FCEV deployment, based on the industry forecast, would be beneficial to reduce the associated transition cost

Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l'énergie stockée dans un oxydant et un réducteur en électricité grâce à des réactions électrochimiques. La technologie la plus mature pour réaliser cette conversion est la pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais d'autres systèmes alternatifs émergent. En particulier, les piles à combustible microfluidiques (PCM) ont permis de s’affranchir des problématiques liées à l’utilisation d’une membrane et du stockage gazeux grâce à l’utilisation de réactifs liquides à température et pression ambiante. Les dimensions du canal (1-5 mm de large et 20-100 µm de haut) permettent un écoulement co-laminaire des deux réactifs et de l’électrolyte liquides dans un micro-canal contenant les électrodes. Les PCMs n'ont donc pas de membrane et leurs performances sont dirigées par le transport de charges et de masse.À ce jour, il est difficile de caractériser expérimentalement tous les phénomènes physiques qui ont lieu dans la PCM car les méthodes existantes sont plutôt basées sur la caractérisation électrochimique. Ces méthodes permettent d'avoir une caractérisation globale du système mais ne fournissent pas d'informations précises sur les phénomènes de transport de masse dans le canal. Pour étudier le transport de masse, la modélisation numérique est généralement utilisée et permet de simuler le champ de concentration et les performances de la PCM pour différentes architectures et conditions opératoires. Toutefois, l'utilisation de ces modèles repose sur la connaissance de paramètres in-situ tels que le coefficient de diffusion D et le coefficient de réaction k0. Dans les travaux numériques, ces paramètres sont généralement approximés, ce qui permet une appréhension plutôt qualitative des phénomènes de transport. De plus, ces études numériques n'ont à ce jour pas été vérifiées avec des études expérimentales.Ainsi, le principal verrou scientifique de cette thèse repose sur le développement de méthodes d'imagerie quantitatives pour la caractérisation du champ de concentration dans une PCM en fonctionnement.Pour répondre à ce besoin, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie ainsi que trois méthodes de caractérisation ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, les travaux se sont concentrés sur le développement d'un banc de spectroscopie pour étudier le phénomène d'interdiffusion. Cette étude a permis d'estimer le coefficient de diffusion du permanganate de potassium dans l'acide formique. Ces solutions ont été spécifiquement choisies car ceux sont celle utilisées dans la PCM développées pour la suite de l’étude.Le banc de spectroscopie a ensuite été adapté pour étudier le champ de concentration 2D en régime permanent d'une PCM en fonctionnement. Un modèle analytique du transfert de masse (advection/réaction/diffusion) couplé au champ de concentration 2D a ainsi permis de déterminer le taux de réaction. Les variations de concentration mises en jeu étant parfois très faibles (quelques micro-moles), une autre technique de caractérisation a été mis en place pour diminuer le bruit de mesure.Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, une méthode basée sur la modulation du champ de concentration a été développée. La démodulation du signal a permis de réduire significativement le bruit et des concentrations de 20 µM ont ainsi été estimées. Un modèle analytique décrivant le champ modulé a été établi afin d'implémenter une méthode inverse. La méthode proposée a permis de retrouver le taux de réaction associé à la variation de concentration.En conclusion, les méthodes de caractérisation proposées dans cette thèse permettent d'estimer quantitativement le transfert de masse et la cinétique de réaction à partir du champ de concentration 2D d'une PCM en fonctionnement. Cette technique a été appliquée au PCM, mais elle peut être transférée à un système micrométrique dans lequel les phénomènes de diffusion-advection-réaction ont lieu
Fuel cells are devices that convert the energy stored in an oxidant and a reductant into electricity through electrochemical reactions. The most mature technology for this conversion is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), but other alternative systems are emerging. In particular, microfluidic fuel cells (MFCs) have overcome the problems associated with the use of a membrane and gas storage by using liquid reagents at ambient temperature and pressure. The dimensions of the channel (1-5 mm wide and 20-100 µm high) allow co-laminar flow of the two liquid reagents and the electrolyte in a microchannel containing the electrodes. Therefore, PCMs do not need membrane to separate reactants and performances are driven by charge and mass transport.Experimental characterization of all the physical phenomena involved in PCMs is difficult because actuals methods are more based on electrochemical characterisation. These methods provide an overall characterisation of the system but they do not give precise information on the mass transport phenomena occurring in the channel. To investigate concentration field, numerical modelling is generally used. Numerical methods evaluate the impact of the geometry or the operating conditions on MFC performances. However, the use of these models relies on the knowledge of in-situ parameters such as the diffusion coefficient D and the reaction rate k0. In numerical studies, these parameters are generally approximated leading to a qualitative understanding of the transport phenomena. Furthermore, these numerical studies have not yet been verified by experimental studies.Thus, the main scientific challenge of this thesis is to develop quantitative imaging methods for characterising the concentration field in an operating PCM.To meet this need, an imaging platform based on spectroscopy and three characterisation methods were developed in this thesis. First of all, the work focused on developing an experimental setup based on spectroscopy to study the interdiffusion phenomenon. This study reports the estimation of the diffusion coefficient of potassium permanganate in formic acid. These solutions were specifically chosen because they are used in the PCM developed for the rest of the study.The imaging plateform was then adapted to study the in operando MFC 2D concentration field in steady-state. An analytical mass transfer model (advection/reaction/diffusion) coupled to the 2D concentration field was used to determine the reaction rate. As the concentration variations involved can be very small (few micro-moles), another characterisation technique was implemented to reduce the measurement noise.To improve the signal-to-noise ratio, a method based on modulation of the concentration field was developed. Demodulation of the signal significantly reduced the noise and concentrations of 20 µM were estimated. An analytical model describing the modulated field was established in order to implement an inverse method. The proposed method made it possible to recover the reaction rate associated with the concentration variation.To conclude, the proposed characterisation methods enable the estimation of the mass transfer and the reaction kinetics using the 2D concentration field from an in operando MFC. This technique has been applied to the MFC, but it can be transferred to a micrometric system in which diffusion-advection-reaction phenomena take place

Représentant plus d'un tiers de la consommation mondiale d'électricité, les bâtiments sont le secteur énergétique majeur pour promouvoir l’usage des énergies renouvelables. L'installation à la fois de sources d’énergie rénouvelable et d'un système de stockage d'énergie électrique dans les bâtiments peut favoriser la transition énergétique vers un système électrique à faible émission de carbone, tout en permettant aux consommateurs d'énergie finaux de bénéficier d'une énergie propre. Malgré tous ces avantages, cette topologie innovante et distribuée d’un Micro-réseau dédié au Bâtiment (MB)nécessite des changements importants dans le réseau actuel, qui dépend des politiques énergétiques et d’avancement technologiques.La conception d'un Système de Gestion de l'Energie (EMS) capable de gérer efficacement les composants électriques du micro-réseau sans menacer la stabilité du réseau principal est un obstacle au développement des MB. Pour atténuer les effets néfastes introduits par des acteurs d’énergie imprévisibles, le concept d'autoconsommation est de plus en plus adopté. Néanmoins, une analyse technico-économique plus approfondie est nécessaire pour piloter d’une manière optimaledes systèmes de stockage d'énergie afin d’atteindre des indices d'autoconsommation plus élevés.Face à ces enjeux, le but de ce doctorat est de proposer un EMS pour les micro-réseaux installés dans les bâtiments afin de maximiser leur taux d’autoconsommation à un coût d’exploitation minimum. Parmi les architectures de contrôle, la structure hiérarchique s'est avérée efficace pour gérer des objectifs contradictoires qui ne sont pas dans la même échelle de temps. Ainsi, une structure de contrôle Hiérarchique à Modèle Prédictif (HMPC) a été adoptée pour remédier aux incertitudes liées aux déséquilibres de puissance ainsi qu’établir un compromis entre la réduction du coût de fonctionnement et le respect du code de l’énergie français.Considérant que les bâtiments ne sont pas homogènes et nécessitent des solutions adaptées à leur besoin, le contrôleur proposé a été couplé à deux modules fonctionnant à base d’analyse de données. Le premier algorithme consiste à gérer les inexactitudes dans les modèles internes de l’HMPC. Sans avoir besoin de régler aucun paramètre, cet algorithme améliore la précision du modèle de batteries jusqu'à trois fois et augmente jusqu'à dix fois la précision du modèle de stockage d'hydrogène, réduisant ainsi la dépendance de l’EMS aux étapes de modélisation. Le deuxième algorithme détermine de manière autonome les paramètres de l’HMPC et facilite le compromis entre les aspects économiques et énergétiques. S'appuyant uniquement sur l'analyse des données de déséquilibre de puissance et des mesures, le contrôleur hiérarchique spécifie quel dispositif de stockage d'énergie doit fonctionner quotidiennement en fonction de l'estimation du taux d'autoconsommation et du coût de fonctionnement du micro-réseau. Ces estimations diminuent les dépenses annuelles du micro-réseau en évitant la pénalisation en ce qui concerne les exigences d'autoconsommation et en réduisant la dégradation et l'entretien des systèmes de stockage d'énergie.L’EMS proposé s'est également révélé capable de charger de préférence les batteries des véhicules électriques en période de surplus d’énergie et les décharger pendant les périodes de déficit pour réduire les échanges d’énergie avec le réseau principal. Les résultats ont aussi montré que la contribution des batteries de véhicules électriques dépend de la taille du parc de véhicules, de leur temps de connexion et du profil de déséquilibre de puissance. En conclusion, à travers les simulations utilisant le dimensionnement réel d'un bâtiment public et résidentiel, l’EMS hiérarchique s'est avéré efficace pour gérer de nombreux dispositifs de stockage d'énergie et contribuer à l’essor de micro-réseaux dédiés aux bâtiments à l’avenir
Representing more than one-third of global electricity consumption, buildings undergo the most important sector capable of reducing greenhouse gas emissions and promote the share of Renewable Energy Sources (RES). The integrated RES and electric energy storage system in buildings can assist the energy transition toward a low-carbon electricity system while allowing end-energy consumers to benefit from clean energy. Despite its valuable advantages, this innovative distributed Building Microgrids (BM) topology requires significant changes in the current electric grid, which is highly dependent on grid energy policies and technology breakthroughs.The complexity of designing a robust Energy Management System (EMS) capable of managing all electric components inside the microgrid efficiently without harming the main grid stability is one of the greatest challenge in the development of BM. To mitigate the harmful effects of unpredictable grid actors, the concept of self-consumption has been increasingly adopted. Nonetheless, further technical-economic analysis is needed to optimally manage the energy storage systems to attain higher marks of self-consumption.Faceing these issues, the purpose of this doctoral thesis is to propose a complete framework for designing a building EMS for microgrids installed in buildings capable of maximising the self-consumption rate at minimum operating cost. Among all possible control architectures, the hierarchical structure has proved effective to handle conflicting goals that are not in the same timeframe. Hence, a Hierarchical Model Predictive (HMPC) control structure was adopted to address the uncertainties in the power imbalance as well as the trade-off between costs and compliance with the French grid code.Considering that buildings are not homogeneous and require solutions tailored to their specific conditions, the proposed controller was enhanced by two data-driven modules. The first data-driven algorithm is to handle inaccuracies in HMPC internal models. Without needing to tune any parameter, this algorithm can enhance the accuracy of the battery model up to three times and improve up to ten times the precision of the hydrogen storage model. This makes the building EMS more flexible and less dependent on pre-modelling steps.The second data-oriented algorithm determines autonomously adequate parameters to HMPC to relieve the trade-off between economic and energy aspects. Relying only on power imbalance data analysis and local measurements, the proposed hierarchical controller determines which energy storage device must run daily based on the estimation of the annual self-consumption rate and the annual microgrid operating cost. These estimations decrease microgrid expenditure because it avoids grid penalties regarding the requirements of annual self-consumption and reduces the degradation and maintenance of energy storage devices.The proposed EMS also demonstrated being capable of exploiting the potentials of shifting in time the charging of batteries of plug-in electric vehicles. The simulation confirmed that the proposed controller preferably charges electric vehicles’ batteries at periods of energy surplus and discharges them during periods of energy deficit, leading the building microgrid to reduce grid energy exchange. The results also showed that electric vehicle batteries' contribution depends on the size of the vehicle parking, their arrival and departure time, and the building’s net power imbalance profile. In conclusion, through simulations using the dataset of both public and residential buildings, the proposed hierarchical building EMS proved its effectiveness to handle different kinds of energy storage devices and foster the development of forthcoming building microgrids

Ces dernières années, la pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC) a fait l’objet d’un intérêt particulier pour des applications liées au transport. De par le fait qu’elle fonctionne à une température de fonctionnement relativement basse (50-100°C) combiné à une membrane polymère solide empêchant tout risque de fuite. Dans ce travail, des expérimentations ont été effectuées pour démontrer que la distribution de température à une influence significative sur les performances de la PEMFC. Par ailleurs, ce travail comporte une analyse ayant pour but de d’indiquer une amélioration de la résistivité ionique de la membrane, de la vitesse de réaction et de la diffusion des gaz en fonction de la température. Des expérimentations sur une cellule puis sur un stack complet ont permis d’évaluer l’impact de la température à l’aide d’un modèle 3D développé simulant les performances de la pile en relation avec la distribution de température. Dans cette thèse, deux piles à combustible ont permis de valider le comportement et d’en déduire une relation entre la tension de sortie et la distribution de température dans différentes conditions de fonctionnement. Une étude expérimentale prenant en compte la tension et la température a été effectuée sur une cellule en mesurant la température et le voltage en douze points à l’aide de thermocouples et de sonde de tension. Le modèle 3D proposé permet ainsi d’améliorer la durée de vie d’une pile ainsi que sa fiabilité, il permet aussi d’effectuer un diagnostic et de détecter en ligne un défaut. Ceci est effectué en calculant la densité de courant localement à différentes conditions de fonctionnement en utilisant la méthode de Newton Raphson. De par le développement de ce modèle sensible à un défaut, un algorithme de détection de défaut ainsi que la stratégie de diagnostic ont été développé en utilisant des réseaux de neurones artificiels (RNN). Ces derniers ont été utilisés pour la classification supervisée de défaut permettant ainsi le diagnostic
In recent years, according to the upcoming challenge of pollution, fuel saving, to use on FCEV is increasing. It can be that fuel cell power train divided in the PEMFC, Batteries, DC/DC converters, DC/AC inverters and electrical motors. The Proton Exchange Membrane Fuel cells (PEMFC) have consistently been considered for transportation application. Characteristic features of PEMFC include lower temperature (50 to 100 °C) and solid polymer electrolyte membrane. In this work, experiments have shown that the temperature distributions can significant influence on the performance of the PEMFC. Also analytical studies have indicated improvement of ionic resistivity of the electrolyte membrane, kinetics of electrochemical reaction and gas diffusion electrodes have directly related to temperature. This work evaluated the effectiveness of temperature on a single and stack fuel cell. In addition, a 3D model is developed by effective of temperature on performance on the fuel cell. In this thesis, two PEM fuel cells have been considered to find out the relationship and analyze the behaviors of the cell voltage and temperature distributions under various operating conditions. An experimental study for voltage and temperature has been executed, using one cell, 12 thermocouples and 12 voltage sensors have been installed at different points of the cell. In this work a new model was proposed to improve the lifetime and reliability of the power train and to detect online faults. Besides, current distributions in different points of the cell based on varying operating conditions are calculated by the Newton Raphson method. On the basis of the developed fault sensitive models above, an ANN based fault detection; diagnosis strategy and the related algorithm have been developed. The identified patterns ANN have been used in the supervision and the diagnosis of the PEMFC drivetrain. The ANN advantages of the ability to include a lot of data made possible to classify the faults in terms of their type

Le réchauffement climatique, la pollution de l'environnement et l'épuisement des énergies pétrolières ont attiré l'attention de l'humanité dans le monde entier. Les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (FCHEV), utilisant l’hydrogène comme carburant et n’émettant aucune émission, sont considérés par les organismes publics et privés comme l’un des meilleurs moyens de résoudre ces problèmes. Cette thèse de doctorat considère un FCHEV avec trois sources d'énergie: pile à combustible, batterie et supercondensateur, ce qui complique l'élaboration d'une stratégie de gestion de l'énergie (EMS) pour répartir la puissance entre différentes sources d'alimentation. Parmi les méthodes de gestion de l'énergie de la littérature actuelle, la stratégie de minimisation de la consommation équivalente (ECMS) a été sélectionnée car elle permet une optimisation locale sans connaissance préalable des conditions de conduite et cela en donnant des résultats optimaux.En raison de la faible densité énergétique du supercondensateur, sa consommation équivalente d'hydrogène est négligée dans la plupart des références bibliographiques, ce qui va non seulement à l'encontre de l'objectif de minimiser la consommation totale d'hydrogène, mais accroît également la complexité du système EMS en raison du besoin d'un système EMS supplémentaire pour calculer la demande en puissance du supercondensateur. Ainsi, une stratégie ECMS à programmation quadratique séquentielle (SECMS) est proposée pour prendre en compte le coût énergétique des trois sources d’énergie dans la fonction objectif. Une stratégie de contrôle basée sur des règles (RBCS) et une stratégie hybride (HEOS) a été également conçues pour être comparée à SECMS. La dégradation des sources d'énergie représente un défi majeur pour la stabilité du système SECMS développé. Basé sur l'estimation en ligne de l'état de santé de la pile à combustible et de la batterie, le système ECMS adaptatif (AECMS) a été implémenté en ajustant le facteur équivalent et le taux de changement dynamique de la pile à combustible. Les résultats de la simulation montrent que l’AECMS peut assurer le maintien de la charge de la batterie et l’augmentation de la durabilité de la pile à combustible.Pour valider les algorithmes de gestion de l'énergie et les modèles numériques proposés, un banc d'essai expérimental a été construit autour de l'interface temps réel DSPACE. La comparaison des résultats de la simulation numérique et des résultats expérimentaux a montré que le système SECMS proposé fonctionne à un rendement maximal, que le supercondensateur fournit la puissance de pointe et que la batterie fonctionne comme un tampon d’énergie. Il a été prouvé que la négligence de la consommation d'hydrogène équivalente au supercondensateur dans l'ECMS conduit à un fonctionnement non optimal. Comparé à RBCS et HEOS, la SECMS a le moins d'hydrogène consommé et le courant de pile à combustible le plus stable
Global warming, environment pollution and exhaustion of petroleum energies have risen their attention of the humanity over the world. Fuel cell hybrid electric vehicle (FCHEV) taking hydrogen as fuel and have zero emission, is thought by public and private organisms as one of the best ways to solve these problems. This PhD dissertation consider a FCHEV with three power sources: fuel cell, battery and supercapacitor, which increases the difficult to design an energy management strategy (EMS) to split the power between the different power sources.Among the EMS available in the current literature, the Equivalent consumption minimization strategy (ECMS) was selected because it allows a local optimization without rely on prior knowledge of driving condition while giving optimal results.Due to low energy density of supercapacitor, its equivalent hydrogen consumption is neglected in most bibliographic references, which not only counter to the aim of minimizing whole hydrogen consumption but also increase the complication of EMS due to the need of an additional EMS to calculate supercapacitor power demand. Thus, a sequential quadratic programming ECMS (SECMS) strategy is proposed to consider energy cost of all three power sources into the objective function. A rule based control strategy (RBCS) and hybrid strategy (HEOS) are also designed in order to to be compared with SECMS. Degradation of energy sources represents a major challenge for the stability of the developed SECMS system. So, based on online estimating state of heath of fuel cell and battery, an adaptive ECMS (AECMS) has been designed through adjusting the equivalent factor and dynamical change rate of fuel cell. The simulation results show that the AECMS can ensure the charge sustenance of battery and the increase of fuel cell durability.To validate the proposed energy management algorithms and the numerical models an exerimental test bench has been built around the real time interface DSPACE. The comparison of the simulation and experimental results showed that the proposed SECMS is operated at around maximum efficiency, supercapacitor supplies peak power, battery works as the energy buffer. It has been proved that the neglect of supercapacitor equivalent hydrogen consumption in ECMS leads to not optimal operation. Compared with RBCS and HEOS, SECMS has least hydrogen consumption and most stable fuel cell current

L'hydrure d'aluminium AlH3 ou alane est à la fois un matériau très important et une espèce chimique fascinante qui reçoit actuellement un regain d'intérêt lié à son utilisation potentielle pour différentes applications : (i) comme additif énergétique pour les ergols solides, (ii) comme agent réducteur dans les piles alcalines et (iii) comme source possible d'hydrogène pour des piles à combustibles basses températures. L'alane a une capacité de stockage volumique d'hydrogène de 0,148 g mL-1 soit deux fois plus que l'hydrogène liquide (0,07 g mL-1). Sa capacité de stockage d'hydrogène est supérieure à 10 % en masse. Malheureusement, le coût de production d'alane est élevé ce qui limite son utilisation notamment dans le domaine de la propulsion. L'objectif de cette thèse était d'optimiser la synthèse de l'alane α pur, variété cristalline considérée comme la plus stable et ainsi d'en réduire les coûts de production. Différentes méthodes de synthèse sous atmosphère contrôlée ont été mises en oeuvre. Il a été montré que le traitement thermique sous vide d'un complexe éthéré de AlH3 permettait de s'affranchir de l'utilisation de toluène et ainsi de réduire la quantité de solvants et de réactifs de 25 % tout en obtenant une phase α pure mise en évidence par DRX. Des essais de stabilisation contrôlés par ATD-ATG ont montré que la température de décomposition à pression atmosphérique de l'alane α était de 174 °C contre 160 °C pour la phase α non stabilisée. Une autre voie de synthèse, sans solvant et à l'aide d'une presse fabriquée au laboratoire a été explorée. Un plan d'expériences a été réalisé afin d'identifier les paramètres influant le plus sur le rendement en alane α et la pureté de la phase obtenue. L'alane synthétisé par ces différentes méthodes a été caractérisé par DRX, MEB, MET, ATD-ATG et ICP-OES. Un transfert technologique de la synthèse en solution a été opéré vers les partenaires industriels de ce travail
Aluminium hydride or alane (AlH3) is a very important and fascinating material that draws increasing attention due to its potential uses: (i) as an energetic component in rocket propellants, (ii) as a reducing agent in alkali batteries and (iii) as a possible hydrogen source for low temperature fuel cells. It exhibits a density of 1,48 g cm-3, a volumetric hydrogen capacity of 0,148 g mL-1, that is more than twice as much as that of liquid hydrogen (0,07 g mL-1). Its hydrogen mass capacity slightly exceeds 10 wt.-%. Unfortunately, production of alane suffers from a high cost that hinders its opportunity to be an excellent candidate for propulsion. Moreover, only the α phase of alane is known to be stable enough to be stored and used. This work aims at developing cheaper methods for alane production while keeping a maximum selectivity towards the formation of α phase. Preparation using a classical organometallic synthesis in ether was implemented. An etherate complex was formed, the ether was removed under vacuum and finally an adequate thermal treatment led to pure α phase of alane as identified by powder X-ray diffraction. A toluene free synthesis method was implemented and resulted in a cost reduction of 25 %. The stability of the material was characterized through thermal analysis (DTA-TGA). The morphology and purity of the alane were characterized using TEM, SEM and ICP-OES. Alane was synthesized using doping compounds and resulted in a significant increase in the decomposition temperature from ca. 160 °C to ca. 174 °C. Syntheses without solvent were studied using a homemade reactor and following a design of experiment to identify the key parameter towards the highest yield in α-AlH3. The synthesis method in ether was transferred to our industrial partners