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Fault tolerance and optimization of DC/DC converters for fuel cell electric vehicles
No full textCes dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail.Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work
Conception d'un actionneur pour le nouveau Wire Scanner du LHC
No full textLe LHC met en collision deux faisceaux de protons avec une énergie de 7 Tevchacun, entrainant ainsi un taux de particules d'environ 109 Hz. Le taux departicules est déterminé la production d'une coupe transversale, une constancenaturelle, la luminosité et un paramétre dépendant de l'accélérateurcapable de décrire les faisceaux de particules. La luminosité dépend dunombre de particules dans chaque faisceau linéairement et des dimensionstransversales du faisceau inversement. Elle augmente avec la densité dufaisceau de particules et en conséquence, la probabilité d'interactions estaccrue. Pour optimiser les tailles des faisceaux transversaux, on utilisedes dispositifs de contrle de pro_le, qui permettent de mesurer les changementsde paramétres dépendants. A l'intérieur du LHC, trois di_érentstypes de dispositifs de contrle des pro_les sont installés, savoir le WireScanner (WS), le Synchroton Light Monitor et le Rest Gas Pro_le Monitor.Le WS est considéré comme étant le plus précis de ces trois dispositifsde contrle et sert d'appareil de calibrage pour les deux autres. Ils'agit d'un appareil électromécanique qui mesure l'état de densité du faisceautransversale de faon intermittente. Lorsque le cble traverse le faisceau,l'interaction particule-matiére génére une cascade de particules secondaires.Ces derniers sont interceptés par un scintillateur, lequel est attaché un photo-multiplieur, et ce a_n de mesurer l'intensité de la lumiéreainsi produite. L'amplitude du signal lumineux est proportionnelle la densité de la portion de faisceau interceptée. L'acquisition de la position du_l et celle de l'intensité du signal sont synchronisées avec la fréquence dela révolution de particules puis sont combinées pour construire le pro_lede densité du faisceau transversal. Le WS est installé et mis en marchedans tous les accélérateurs circulaires du CERN sur une base réguliéreThe LHC collides two protons beams with an energy of 7 TeV each resultingin a aimed total particle rate of about 109 Hz. The particle rateis determined by the production cross section, a natural constant and theluminosity accelerator dependent parameter describing the particle beams.The luminosity depends on the number of particles in each beam linearlyand on the transverse dimensions of the particle beam inversely. It increaseswith the particle beam density and therefore the probability of interactions.To optimize the transverse beams sizes, pro_le monitors are used to measureparameter depending changes. Within the LHC, three di_erent typesof pro_le monitors are installed: Wire scanner (WS), Synchrotron lightmonitor and Rest Gas Pro_le Monitor. The WS monitor is considered tobe the most accurate of these monitors and serves as a calibration devicefor the two others. The WS is an electro-mechanical device which measuresthe transverse beam density pro_le in an intermittent way. As the wirepasses through the beam, the particle-matter interaction generates a cascadeof secondary particles. These are intercepted by a scintillator, which isattached to a photomultiplier in order to measure the intensity of the lightthereby produced. The light signal amplitude is proportional to the densityof the intercepted beam portion. The acquisitions of the wire position andthe intensity signal are synchronized with the particle revolution frequencyand are combined to construct the transverse beam density pro_le. TheWS is installed and operated in all circular accelerators of CERN on a dailybasis
Commande par mode glissant d'ordre supérieur pour les systèmes de puissance hybrides en intégrant la dégradation de la source principale
No full textCette thèse a pour but de développer des approches de contrôle par mode glissant d'ordre supérieur pour les systèmes de puissance hybrides de véhicules électriques en intégrant la dégradation de la source principale. Dans ces systèmes, la batterie ou la pile à combustible est considérée comme la source d'énergie principale tandis que les super-condensateurs (SCs) sont la source d'énergie auxiliaire. Les contraintes de sécurités telles que le courant maximum de la batterie ou de la pile à combustible et l'état de charge de la batterie sont prises en compte dans la conception du contrôle. Pour rendre le modèle plus précis, l'estimation de la dégradation de la batterie ou de la pile à combustible est considérée dans la modélisation de ces systèmes hybrides en utilisant différentes méthodes de filtrage. La première contribution de cette thèse est le développement d’une stratégie de contrôle robuste par rejet des perturbations pour un système hybride « batterie/SCs » piloté par un seul convertisseur. Cette stratégie est basée sur la commande par mode glissant d'ordre 2 de type ‘’super-twisting''. Par ailleurs, l'estimation de la dégradation de la batterie est réalisée sur la base d'un filtre de Kalman à cubature (CKF). La simulation Hardware-in-the-Loop (HIL) a montré que le contrôleur basé sur le super-twisting dans la boucle de tension interne agit comme un filtre passe-bas pour ce type de système hybride, qui peut rejeter la perturbation et d’atténuer les perturbations sur le bus DC. La deuxième contribution de la thèse est la synthèse d'une nouvelle stratégie de commande basée sur le contrôleur par mode glissant d'ordre 2 ''Twisting'' pour un système hybride « pile à combustible/SCs » piloté par un seul convertisseur. L'estimation de la dégradation de la pile à combustible est fournie par un filtre CKF. Les tests Hardware-in-the-Loop ont démontré la capacité du contrôleur à rejeter les perturbations. La dernière contribution de la thèse est la mise en œuvre d'un contrôle par mode glissant intégral combiné avec un contrôle basé sur la passivité, pour un système de puissance hybride « pile à combustible/SCs » piloté par deux convertisseurs. L'estimation de la dégradation de la pile à combustible est réalisée par un filtre de Kalman à racine carrée et cubature. L’intérêt majeur de ce nouveau contrôleur est qu’il permet de s’affranchir de l’utilisation d’un capteur de courant et de l’utilisation d’un observateur d'admittance de charge . Enfin, les tests HIL sont effectués pour valider l'efficacité de la stratégie de contrôle proposée.This thesis aims to develop higher order sliding mode control approaches for hybrid power systems in electrical vehicles by integrating the degradation of the main source. In these systems, the battery or fuel cell is considered as the main power source while the super capacitors (SCs) are the auxiliary power source. Safety constraints such as the maximum current of the battery or fuel cell and the state of charge of the battery are taken into account in the control design. To make the model more accurate, the estimation of the battery or fuel cell degradation is considered in the modeling of these hybrid systems using different filtering methods. The first contribution of this thesis is the development of a robust disturbance rejection control strategy for a hybrid "battery/SCs" system driven by a single converter. This controller is based on the twisting algorithm. Furthermore, the estimation of the battery degradation is performed based on a cubature Kalman filter (CKF). The hardware-in-the-loop (HIL) simulation showed that the super-twisting based controller in the internal voltage loop acts as a low-pass filter for this type of hybrid system, which can reject the disturbance and mitigate the disturbances on the DC bus. The second contribution of the thesis is the synthesis of a new twisting control strategy for a hybrid "fuel cell/SCs" system driven by a single converter. The estimation of the fuel cell degradation is provided by a CKF filter. Hardware-in-the-loop tests have demonstrated the ability of the controller to reject disturbances. The final contribution of the thesis is the implementation of an integral sliding mode control combined with a passivity-based control strategy for a hybrid "fuel cell/SCs" power system driven by two converters. The estimation of the fuel cell degradation is performed by a square-root and cubature Kalman filter. The main advantage of this new controller is that it avoids the use of a current sensor and the use of a load admittance observer. Finally, HIL tests are performed to validate the efficiency of the proposed control strategy
Energy management of a fuel cell system powered by a metal hydride tank
No full textCe travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la contribution à l’avancée scientifique et technologique de l'utilisation des énergies renouvelables au moyen d'un système de piles à combustible PEMFC alimenté par de l'hydrogène provenant d'un réservoir à hydrure métallique. La première partie du travail a été consacrée à la caractérisation de deux réservoirs commerciaux de cette technologie en mettant l’accent sur la dégradation de leurs performances. Des méthodes stochastiques ont été utilisées pour étudier l’impact du cyclage (charge /décharge) sur la variation des paramètres intrinsèques du des réservoirs. Dans un la deuxième partie, les résultats de cette étude ont été mis en œuvre à travers un modèle énergétique du réservoir développé sous l’environnement MATLAB /Simulink. Ce dernier modèle a fait l’objet d’une validation expérimentale grâce à un banc de test spécialement réalisé à cet effet. Le phénomène de vieillissement a été mis en évidence, apportant ainsi une avancée significative notamment en vue de l'industrialisation de ce type de solution. Finalement, le couplage thermo-fluidique entre la pile à combustible et le réservoir d'hydrure a été expérimenté, modélisé et simulé numériquement.This thesis work is part of the contribution to the scientific and technological advancement of the use of renewable energies based on a PEMFC fuel cell system powered by hydrogen from a metal hydride tank. The first part of the work was devoted to the characterisation of two commercial tanks of this technology with emphasis on their performance degradation. Stochastic methods were used to study the impact of cycling (charge/discharge) on the variation of the tanks' intrinsic parameters. In a second part, the results of this study were implemented through an energy model of the tank developed under the MATLAB /Simulink environment. The model was validated experimentally on a specially designed test bench. The ageing phenomenon was highlighted, providing a significant advance, particularly with a view to the industrialisation of this type of solution. Finally, the thermo-fluidic coupling between the fuel cell and the hydride tank was experimented, modelled and numerically simulated
Modélisation et estimation de la dégradation des piles à combustible PEM en conditions réelles d'utilisation pour les applications mobiles
No full textLa PEMFC sont une source d'énergie propre en raison de ses avantages comme une efficacité énergétique élevée, un faible bruit, une température de fonctionnement faible et zéro polluant. Cependant, la courte durée de vie causée par la dégradation a un grand impact sur l'intégration de la PEMFC dans les systèmes de transport. Le pronostic et la gestion de la santé sont un moyen important pour améliorer les performances et la durée de vie de la PEMFC. Cette thèse présente cinq méthodes de pronostic de dégradation pour la PEMFC. Elle examine l'influence des principales conditions de fonctionnement, incluant le courant de charge, la température, la pression d'hydrogène et l'humidité relative, sur la dégradation de la PEMFC. La dégradation globale et les phénomènes réversibles sont analysés en se basant sur les données numériques issues de trois expériences de PEMFC menées dans des conditions différentes d'usage (une flotte de véhicules à PEMFC et deux bancs de test de type laboratoire). Un premier modèle basé sur l'algorithme de filtre de Kalman UKF (Unscented Kalman Filter) et le modèle de dégradation de la tension est proposé pour prédire la dégradation de la PEMFC dans les véhicules électriques à pile à combustible. Puis, la méthode hybride basée sur l'analyse des ondelettes, la machine d'apprentissage extrême et l'algorithme génétique est proposée pour construire un deuxième modèle de dégradation de la PEMFC. Pour prévoir la dégradation du PEMFC avec des données de expérimentales limitées, la méthode améliorée basée sur sur la combinaison du modèle des réseaux de neurones gris, l'optimisation de l'essaim de particules et les méthodes de fenêtre mobile, est utilisée pour développer le troisième modèle. La quatrième contribution est un modèle de pronostic de vieillissement de la PEMFC fonctionnant dans différentes conditions, en utilisant le réseau neuronal de rétro-propagation et l'algorithme évolutif. Enfin, un pronostic de dégradation de la PEMFC basé sur le réseau neuronal en ondelettes et l'algorithme de recherche du coucou est proposé pour prédire la durée de vie restante de la PEMFC.Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) is a clean energy source because of the merits like high energy efficiency, low noise, low operating temperature, and zero pollutants. However, the short lifetime caused by degradation has a great impact on the integration of PEMFC in the transportation systems. Prognostics and health management is an important way to improve performance and remaining useful life for PEMFC. This thesis proposes five degradation prognosis methods for PEMFC. The thesis considers the influence of main operating conditions including the load current, temperature, hydrogen pressure, and relative humidity on the degradation of PEMFC. The global degradation trend and reversible phenomena are analyzed on the basis of data from three PEMFC experiments conducted under different conditions of use (a fleet of 10 PEMFC vehicles and two laboratory test benches). First, the model-driven method based on unscented Kalman Filter algorithm and voltage degradation model is presented to predict the degradation of PEMFC in fuel cell electric vehicles. Then, the hybrid method based on the wavelet analysis, extreme learning machine and genetic algorithm is proposed to build the degradation model of PEMFC. To forecast the degradation of PEMFC with limited experimental data, the improved data-driven method based on the combination of the grey neural network model, the particle swarm optimization and the moving window methods, is used for developing the third model. The fourth contribution is an aging prognosis model of PEMFC operating in different conditions, by using the Backpropagation neural network and evolutionary algorithm. Finally, a degradation prognosis of PEMFC based on wavelet neural network and cuckoo search algorithm is proposed to predict the remaining useful life of PEMFC
Designing a power converter for electric vehicles multi-source
No full textL’utilisation des plusieurs sources d’énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l’adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur ’énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d’un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d’exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d’explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l’adoption d’un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d’élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l’ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l’utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l’alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l’alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l’échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l’architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l’étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d’une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l’espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction.The use of many energy sources of different kind in a electrical vehicle (EV) needs the adoption of static converters. These can have the function of either conditioning energy or driving the electrical machines of the vehicle. EV’s generally have a DC bus of some hundred volts, whose stability is ensured by a set of boost converters, since the voltage level of the several sources is as low as about some tens of volts. During frequent start/stop phases of EV’s in urban mode, energy sources can feed the motors directly without using the converters. On the basis of this consideration this thesis proposes a novel converter topology adopting a variable DC voltage level. In this approach the lowest level of the DC bus is determined as a function of the voltages available from the sources and of the required speed (back fem of the traction motor). In this way the variable step-up voltage ratio is minimal at low speeds of the EV in urban mode and maximal at higher speeds in motorway modes. This would result in an energy efficiency improvement of the sources-motors system, especially in urban mode. On the other hand the use of this EV demands some constraints as for the service continuity of the main functions of the EV, particularly the energy supply.This thesis proposes a novel power converter topology between the sources (a Fuel Cell System associated with a pack of Super-capacitors) and the loads ( traction motor and auxiliary supply system). This converter adopts a variable DC bus voltage and a redundant supply of the traction motor. After presenting the proposed converter in the framework of the state of the art, the analysis and modelling of its DC/DC part is presented, especially with simulation results of the different modes of operation. With this regard a complete simulation program has been developed down to the scale of switching pulses. Afterwards the control of the power devices has been developed by using the small signal control and the hysteresis control, triangular duty cycle and triangular sine. The simulation results of the main modes show the feasibility of the proposed power converter architecture. Finally an experimental rig has been set up, at reduced scale, for assessing the theoretical analysis. The experimental results of the DC/DC part yield satisfactory results thus proving the effectiveness of the design. Future work will focus on setting up e real scale converter, where the cooling system design will be added before realizing the mass board of the converter. This should lead up to the optimization of the volume occupied in the EV and to the improvement of the energy efficiency of the traction chain
Architecture à multiples PEMFC couplées à un convertisseur élévateur entrelacé à entrées multiples
No full textDans cette thèse, dans un premier temps, un contrôleur non linéaire est proposé pour un convertisseur Boost entrelacé (IBC) à quatre phases. Ensuite, les performances de l’architecture d’un système à multi-piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) est validée afin d'améliorer la qualité de service à la sortie, d'étendre la durée de vie du système PEMFC et de renforcer la redondance du multi-PEMFC système. Le contrôleur proposé possède une boucle interne basée sur un algorithme de backstepping, où le courant de référence est généré par un algorithme de mode glissant super-twisting (STSM) dans la boucle externe. Comparé à un contrôleur en cascade à double PI linéaire et à un contrôleur en cascade à double contrôleur STSM, la forte robustesse et la caractéristique hautement dynamique du contrôleur proposé sont démontrées par les performances assurées au niveau de la tension de sortie, du courant de source et du temps d'établissement. Pour explorer les influences possibles sur la robustesse du système apportées par les différents systèmes PEMFC utilisés, un modèle dynamique efficace de PEMFC par segment est proposé et validé par trois scénarios contenant un nombre différent de systèmes PEMFC et un IBC entrelacé à entrées multiples. Enfin, les performances des trois systèmes PEMFC en parallèles couplés à un IBC à trois entrées et six phases sont validées sous différents conditions : perturbations de charge, un profile de la tension de référence variable et en cas de défaut d'une source. Toutes les contributions de cette thèse sont validées et testées sur un banc d'essai dédié.In this thesis, a new nonlinear controller is proposed for a four-phase Interleaved Boost Converter (IBC) and the performances of multiple parallel Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) systems are validated to improve the output power quality, extend the PEMFC system lifespan and enhance the redundancy of multiple PEMFC systems. The proposed controller has an inner loop based on a backstepping algorithm, and the reference current is generated by a super-twisting sliding mode (STSM) algorithm in the outer loop. Compared with a double loop linear PI controller and a double loop STSM controller, the strong robustness and highly dynamic feature of the proposed controller are shown by the performance of the output voltage, source current, and settling time. To explore the possible influences on the system robustness brought by the different employed PEMFC systems, an efficient segment dynamic PEMFC model is proposed and validated by three scenarios containing the different number of PEMFC systems and multiple-input multi-phase IBC. Last, the performances of the three parallel PEMFC systems coupled with the three-input six-phase IBC are validated by the step load disturbances, the variable reference voltage and one source failure. All the contributions of this thesis are validated and tested on a dedicated test bench
Energy Management of a Hydride Tank System and PEM Fuel Cell
No full textCette thèse porte sur les phénomènes inhérents au couplage d'un système de stockage d'hydrogène à base d'hydrures métalliques et d'une pile à combustible (PàC). Le but est de développer une loi de gestion optimale des flux (électriques, fluidiques, thermiques).Une étude poussée a été réalisée sur les différents moyens de production de l'hydrogène ainsi que les différentes méthodes de son stockage. Une large place est donnée à la caractérisation des hydrures au sein du réservoir. Ce travail a permis le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation pour des réservoirs à hydrure. Cette dernière et a été mise en œuvre expérimentalement avec des processus de charges et de décharges effectués sur trois réservoirs contenant des hydrures différents. Compte tenu de la confidentialité du fabriquant, plusieurs données n'étaient pas accessibles expérimentalement. Ainsi, un modèle numérique du réservoir à hydrure a été réalisé dans l'environnement Comsol multiphysics. Dans une volonté de modéliser le couplage thermique entre la PàC et le réservoir à hydrure, un modèle 0D dans l'environnement Matlab Simulink d'un système comportant une pile à combustible, un réservoir à hydrure et un échangeur de chaleur a été réalisé. Ces développements ont abouti à la proposition et l'étude de deux topologies pour la gestion des échanges thermiques entre la PàC et le réservoir à hydrure de type AB : topologie série et topologie parallèle. Dans la topologie série le même fluide caloporteur circule dans le réservoir et dans la PàC ce qui veut dire que les deux composants ont les mêmes températures de fonctionnement. Ceci peut causer des difficultés d'opération de la PàC qui nécessite généralement des températures de fonctionnement plus élevées que celles du réservoir. La topologie parallèle, apporte la solution à ce problème en offrant la possibilité de deux températures distinctes de fonctionnement pour la PàC et le réservoir.This thesis deals with the phenomena inherent in the coupling of a hydrogen storage system based on metal hydrides and a fuel cell. The aim is to develop an optimal flow management law (electrical, fluidic, thermal).A detailed study was carried out on the various means of hydrogen production and the different methods of its storage. A large place is given to the characterization of the hydrides within the reservoir. This work allowed the development of a new characterization method for hydride tanks. The latter was experimentally carried out with charge and discharge processes carried out on three reservoirs containing different hydrides. Given the manufacturer's confidentiality, several data were not accessible experimentally. Thus, a numerical model of the hydride tank was carried out in the multiphysics Comsol environment. In order to model the thermal coupling between the fuel cell and the hydride tank, an OD model in the Matlab Simulink environment of a fuel cell, hydride tank and heat exchanger system was realized. These developments resulted in the proposal and study of two topologies for the management of heat exchanges between the fuel cell and the type AB hydride tank: series topology and parallel topology. In the series topology, the same heat transfer fluid circulates in the reservoir and in the fuel cell, which means that the two components have the same operating temperatures. This can cause difficulties in the operation of the POC which generally requires higher operating temperatures than those of the tank. The parallel topology provides the solution to this problem by offering the possibility of two distinct operating temperatures for the PàC and the tank
Conception d'un actionneur pour le nouveau Wire Scanner du LHC
No full textLe LHC met en collision deux faisceaux de protons avec une énergie de 7 Tevchacun, entrainant ainsi un taux de particules d'environ 109 Hz. Le taux departicules est déterminé la production d'une coupe transversale, une constancenaturelle, la luminosité et un paramétre dépendant de l'accélérateurcapable de décrire les faisceaux de particules. La luminosité dépend dunombre de particules dans chaque faisceau linéairement et des dimensionstransversales du faisceau inversement. Elle augmente avec la densité dufaisceau de particules et en conséquence, la probabilité d'interactions estaccrue. Pour optimiser les tailles des faisceaux transversaux, on utilisedes dispositifs de contrle de pro_le, qui permettent de mesurer les changementsde paramétres dépendants. A l'intérieur du LHC, trois di_érentstypes de dispositifs de contrle des pro_les sont installés, savoir le WireScanner (WS), le Synchroton Light Monitor et le Rest Gas Pro_le Monitor.Le WS est considéré comme étant le plus précis de ces trois dispositifsde contrle et sert d'appareil de calibrage pour les deux autres. Ils'agit d'un appareil électromécanique qui mesure l'état de densité du faisceautransversale de faon intermittente. Lorsque le cble traverse le faisceau,l'interaction particule-matiére génére une cascade de particules secondaires.Ces derniers sont interceptés par un scintillateur, lequel est attaché un photo-multiplieur, et ce a_n de mesurer l'intensité de la lumiéreainsi produite. L'amplitude du signal lumineux est proportionnelle la densité de la portion de faisceau interceptée. L'acquisition de la position du_l et celle de l'intensité du signal sont synchronisées avec la fréquence dela révolution de particules puis sont combinées pour construire le pro_lede densité du faisceau transversal. Le WS est installé et mis en marchedans tous les accélérateurs circulaires du CERN sur une base réguliéreThe LHC collides two protons beams with an energy of 7 TeV each resultingin a aimed total particle rate of about 109 Hz. The particle rateis determined by the production cross section, a natural constant and theluminosity accelerator dependent parameter describing the particle beams.The luminosity depends on the number of particles in each beam linearlyand on the transverse dimensions of the particle beam inversely. It increaseswith the particle beam density and therefore the probability of interactions.To optimize the transverse beams sizes, pro_le monitors are used to measureparameter depending changes. Within the LHC, three di_erent typesof pro_le monitors are installed: Wire scanner (WS), Synchrotron lightmonitor and Rest Gas Pro_le Monitor. The WS monitor is considered tobe the most accurate of these monitors and serves as a calibration devicefor the two others. The WS is an electro-mechanical device which measuresthe transverse beam density pro_le in an intermittent way. As the wirepasses through the beam, the particle-matter interaction generates a cascadeof secondary particles. These are intercepted by a scintillator, which isattached to a photomultiplier in order to measure the intensity of the lightthereby produced. The light signal amplitude is proportional to the densityof the intercepted beam portion. The acquisitions of the wire position andthe intensity signal are synchronized with the particle revolution frequencyand are combined to construct the transverse beam density pro_le. TheWS is installed and operated in all circular accelerators of CERN on a dailybasis.BELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF
Prognosis of fuel cell degradation under different applications using wavelet analysis and nonlinear autoregressive exogenous neural network
No full textInternational audience<div class="Abstracts u-font-serif" id="abstracts"><div class="abstract author" id="abs0010" lang="en"><div id="abssec0010"><p id="abspara0010">This paper presents the degradation prognosis of <a href="https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/proton-exchange-membrane-fuel-cell" title="Learn more about Proton Exchange Membrane Fuel Cell from ScienceDirect's AI-generated Topic Pages" class="topic-link">Proton Exchange Membrane Fuel Cell</a> (PEMFC) operated under several conditions based on the combination of two types of data: data from postal <a href="https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/fuel-cell-electric-hybrid-vehicle" title="Learn more about fuel cell hybrid electric vehicles from ScienceDirect's AI-generated Topic Pages" class="topic-link">fuel cell hybrid electric vehicles</a> equipped with PEMFC and carrying out their postal delivery missions and PEMFC degradation data from laboratory. The prognosis is based on wavelet analysis and Nonlinear Autoregressive Exogenous Neural Network (NARX). The influences of historical state, operating conditions (load current, relative humidity, temperature, and hydrogen pressure), global degradation trend, and recovery phenomena on the degradation prognosis of PEMFC are considered. Firstly, the raw voltage degraded waveform of PEMFC is decomposed into multiple sub-waveforms by the wavelet analysis. Then, the degradation prognosis of each sub-waveform is made by NARX. Finally, the overall degradation prognosis of PEMFC is gotten by combing the degradation prognosis of each sub-waveform. Experimental results have shown that the novel prognosis method which exploits the two types of data results in a reliable model that covers PEMFC degradation over a wide range of operating conditions. The proposed prognosis method not only can make an accurate degradation prognosis of PEMFC with less learning data but also can use directly the raw experimental data with large fluctuation.</p></div></div></div&g
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