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Thème Efficacité Energétique

Thème Efficacité Energétique

Résumé

Le thème « Efficacité énergétique » s’intéresse à l'étude des systèmes autonomes utilisant l'énergie électrique. S’appuyant sur les expertises fortes de l'équipe (modélisation, outils logiciels d'aide à la conception, synthèse de lois de commande), les travaux menés concernent la conception, la commande et la gestion d’énergie ainsi que le diagnostic des systèmes de conversion d'énergie. Ils s’appuient sur plusieurs bancs expérimentaux dont un banc de caractérisation de la pile à combustible (PàC de type PEM de 500 W avec contrôle de l’humidité relative, de la pression, des débits,… des gaz entrants, de la température du circuit de refroidissement de l’empilement, …), un banc multi-sources/multi-charges intégrant une PàC (1,2 kW), des super-condensateurs (SC), et des convertisseurs de puissance. L’accent est mis :

  • sur le développement de méthodologies et d’outils d’optimisation par des approches multi niveau, multi physique et multi domaine ;
  • sur les méthodes de surveillance de l’état de santé des éléments critiques.

 


Les participants

Membres permanents :
Éric Berthelot
Olivier Bethoux (Responsable du thème)
Demba Diallo
Claude Marchand
Florence Ossart
Adel Razek
Ghislain Remy

Post-doctorants :

Doctorants :
Miassa Amira Taleb
Emmanuel Frappé
Abdoulaye Kébé
Younan Nassif
Sengprasong Phrakonkham

Anciens Membres :
Mickaël Hilairet
Toufik Azib (2008-2010), pdf
Reine Talj (2007-2010), pdf

Problématique

Le thème « Efficacité énergétique » s’appuie sur les expertises de l'équipe COCODi acquises dans les domaines de la modélisation (numérique et analytique), du développement et de l’utilisation d’outils logiciels d'aide à la conception et du contrôle-commande (loi de contrôle de processus, observation de processus au travers d’un nombre réduit de capteurs et définition de stratégie pour optimiser les degrés de liberté non utilisés). Le thème « Efficacité énergétique » vise à étudier toutes les pistes permettant de rendre industriellement crédible les sources d’énergie non conventionnelles. Le thème développe ses activités autour de trois axes complémentaires :

  • l’étude des constituants et des stratégies de contrôle et de gestion associées ;
  • la conception systémique couplant connaissance des constituants et analyse du cahier des charges ;
  • le diagnostic et la commande tolérante aux défauts.

 

Les actions de recherche peuvent se décliner en trois axes interdépendants :

Etude des constituants et des stratégies de contrôle et de gestion associées :

Mots clés :
cellules et panneaux photovoltaïques, pile à combustible, super-condensateurs, représentation énergétique macroscopique, commandes linéaires et non linéaires (passivité, modes glissants, commande robuste Hinf).

Descriptif :
Panneaux photovoltaïques, piles à combustible, batteries électro-chimiques, super-condensateurs, etc sont des générateurs présentant des caractéristiques tension-courant peu adaptées aux besoins finaux des charges électriques typiques. En conséquence, pour tirer le meilleur parti de la puissance de ces sources, il faut mettre en place des interfaces électroniques contrôlées de façon adéquate. Par ailleurs, la plupart de ces éléments sont sensibles aux conditions d’utilisation : la sollicitation électrique, la température, la densité de courant, etc. La bonne connaissance des phénomènes en jeu est importante pour mettre en œuvre des stratégies d’utilisation les mieux adaptées vis-à-vis de critères de rendement énergétique et de durée de vie. Cette étude locale fine des constituants peut également amener à repenser des boucles globales de contrôle.
Ce travail a été entrepris :

  • pour l’application photovoltaïque pour optimiser une structure tandem en silicium en couches minces grâce au choix de l’architecture électrique (cellule tandem 4 fils) et du convertisseur d’interconnexion [1]. Ce travail a été en partie effectué dans le projet ATOS soutenue par l’ANR ;
  • pour l’application pile à combustible selon trois axes. Le premier d’entre eux réside dans le choix de la topologie de convertisseur adaptée à cette source à grande dynamique d’entrée [2]. Le second axe consiste à définir une architecture hybride (PàC/SC/convertisseurs) flexible et présentant un bon rendement [3], puis se prolonge vers la définition de stratégies de gestion de l’énergie [4]. Le troisième axe étudie les techniques de contrôle permettant de diminuer le temps de réponse de la boucle d’air, dynamique limitant le temps de montée en puissance de la PàC [5].

 

 

Cellules tandem en couches minces (ANR ATOS)
Cellules tandem en couches minces (ANR ATOS).

 

 

Banc pile à combustible
Banc pile à combustible.

 

Programme d'échanges :
Le programme d'échanges Franco-Palestinien Al'Maqdisi porte sur la conception et le pilotage de systèmes photovoltaïques. Il a débuté en septembre 2010. Ce programme doit permettre de démarrer une collaboration sur les énergies renouvelables entre le LGEP et les universités Palestiniennes : "Palestine Technical University (PTU)" et "Palestine Polytechnic University (PPU)".
L'objectif principal du projet est de proposer des architectures de matériels (Panneaux solaires, convertisseur de puissance et capteurs intelligents) pilotés par un système temps-réel pour une installation domestique à hauts rendements et à faible coût.
Les principales actions consistent à :

  • Développer un banc d'essai et de réaliser des expérimentations dans les laboratoires du PTU et du PPU afin d’évaluer la pertinence des technologies et des stratégies de recherche du point de puissance maximal (MPPT) dans le contexte du gisement solaire méditerranéen.
  • Concevoir un outil d'aide à la conception et à l'optimisation pour les systèmes solaires.
  • Réaliser le banc de test en partenariat avec l'Institut Universitaire de Technologie de Cachan afin de comparer des technologies silicium (couches minces et cristallines) ainsi que des stratégies de recherche du point de puissance maximal (MPPT) dans le contexte du gisement solaire d’un climat océanique.
  • Organiser des séminaires de travail et de formation en Palestine et en France.

Manifestations spécifiques :

  • Au mois de septembre 2010, nous avons co-organisé, avec le professeur Jordi Riera de l'Universitat Politècnica de Catalunya, une double session sur le thème « Storage Energy Management In Electric Vehicles » lors du congrès IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC2010) à Lille.
  • Nous finalisons pour l’année 2011 un numéro spécial « Fuel cells improvements from components to system » pour la revue internationale The European Physical Journal Applied Physics (EPJ AP). Au mois de septembre 2010, nous avons co-organisé, avec le professeur Loïc Boulon, une session sur le thème « Energy storage and management systems in vehicles » lors du congrès IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC2011) à Chicago.

 

Professeur invité par l’Université Paris Sud 11 :
Au printemps 2011, nous accueillerons le professeur Jordi Riera du laboratoire Institut de Robòtica i Informàtica Industrial (IRI) de l’Universitat Politècnica de Catalunya.

Mots clés :
cellules et panneaux photovoltaïques, pile à combustible, super-condensateurs, représentation énergétique macroscopique, commandes linéaires et non linéaires (passivité, modes glissants, commande robuste Hinf).

Publications associées :

  • [1] O. Béthoux, F. Dadouche, E. Labouré, E.V. Johnson, P. Roca i Cabarrocas, C. Marchand, J.P. Kleider , " A System Study on Thin-Film Silicon Cell Tandem Structures Pm-Si :H/μc-Si :H ", 24th European Photovoltaic solar conference, Sept 21 - 24, 2009, Hambourg (Allemagne)
  • [2] M. Hernandez-Gomez, R. Ortega, F. Lamnabhi-Lagarrigue, O. Béthoux, G. Escobar, " Robust Adaptive PI Stabilization of a Quadratic Converter: Experimental Results ", IEEE ISIE, Bari, Italy, july 2010.
  • [3] T. Azib, O. Bethoux, G. Remy, C. Marchand, E.Berthelot, " An Innovative Control Strategy of a Single Converter for Hybrid Fuel Cell/Super-capacitors Power Source ", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, pp 4024 – 4031, december 2010.
  • [4] M. Hilairet, O. Béthoux, T. Azib, R. Talj, " Experimental validation of a passivity-based controller for coordination of converters in a fuel cell System ", Fundamentals and Developments of Fuel Cells - Conference FDFC 2011, january 2011, Grenoble
  • [5] R.J. Talj, D.Hissel, R. Ortega, M. Becherif, M. Hilairet, " Experimental Validation of a PEM Fuel-Cell Reduced-Order Model and a Moto-Compressor Higher Order Sliding-Mode Control ", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume 57 , Issue 6, 2010 , pp 1906 – 1913

 

Conception systémique :

Mots clés :
modélisation multi-physique (magnétique, thermique et mécanique), phénomènes couplés, conception logicielle, outils numériques, optimisation multi critères.

Descriptif :
Les systèmes énergétiques basés sur les énergies non conventionnelles sont énergétiquement moins denses. En effet, les hydrocarbures liquides et leur réservoir sont très denses (environ 40 MJ/kg) et les convertisseurs associés technologiquement mûrs car issus d’une histoire industrielle de près de deux siècles. Un des enjeux des nouveaux systèmes énergétiques est d’offrir des prestations comparables aux solutions existantes en termes de fonctionnalités (continuité de service, réponse aux sollicitations, …) et de coût, et cela malgré des densités de puissance et d’énergie réduites. Dans cette perspective, une optimisation de l’ensemble de la chaîne énergétique doit être menée, en partant du besoin final et des ressources et en intégrant les contraintes liées à chaque constituant technologique de la chaîne (commande locale et gestion d’énergie compris).
Ce travail a été entrepris :

  • pour l’application pile à combustible dans un véhicule urbain [6]. Ce travail a été mené en synergie avec l’étude des constituants de ce type d’application, la synthèse de leur commande et les stratégies associées ;
  • pour l’application génération électrique sur un réseau isolé [7,8]. Une étude de terrain a été effectuée en 2010 dans les différentes provinces du Laos dans des villages non raccordés au réseau électrique. Cette étude a permis d'établir un bilan des sources disponibles basées principalement sur les énergies renouvelables (Solaire, hydroélectrique, Biomasse, etc.), ainsi qu'une évaluation des besoins énergétiques de la population. L'objectif à terme est de développer un logiciel réalisant une conception optimisée à partir de plusieurs sources énergétiques pour ces villages isolés.

 

Projet Véhicule Electrique

Ce projet s'intègre au sein d'une recherche plus générale sur les outils de conception des systèmes électromécaniques dédiés à l'optimisation de la motorisation électrique ou hybride de véhicules. Une analyse de la gestion de l’énergie est prévue. A terme cela doit permettre de proposer au conducteur un trajet intégrant une composante énergétique : « Quel est le trajet le plus économique énergétiquement pour aller d’un point A à un point B ? » Ainsi, le LGEP a fait l’acquisition d’un véhicule électrique à batteries. Il s’agit d’un V.E. proposé par Renault : le Kangoo Electr'Road. Ce véhicule sera instrumenté et utilisé pour définir de nouveaux cycles urbains dédiés aux véhicules électriques. Précisément, un système d'acquisition des données en temps-réel de hautes performances est en cours d’installation dans le véhicule électrique. La différence majeure entre les cycles disponibles actuellement (NEDC, ECE...) et ceux qui seront obtenus dans le cadre de ce projet est l'ajout d'information liée à l’altitude du véhicule. En effet, ces informations sont vitales pour la conception de sous-systèmes permettant la récupération d’énergie au freinage. Photo de la Kangoo Electr'Road du LGEP *

Publications associées :

  • [6] M. Kamali-Nejad, T. Azib, G. Remy, O. Bethoux, and C. Marchand, “Optimization of a Power Electronic Structure for Hybrid Fuel Cell/Ultracapacitors Vehicle”, IEEE VPPC2010, Lille, September 2010.
  • [7] S. Phrakonkham, J. Lechenadec, D. Diallo, C. Marchand, " Optimisation Software Tool Review and the Need of Alternative Means for Handling the Problems of Excess Energy and Mini-Grid Configuration: A Case Study from Laos", ASEAN Symposium on Power and Energy Systems, Hua Hin, TH, 28 September 2009.
  • [8] S. Phrakonkham, J. Lechenadec, D. Diallo, G. Remy, C. Marchand, "Reviews on Micro-Grid Configuration and Dedicated Hybrid System Optimization Software Tools: Application to Laos", Engineering Journal (IEEE), Vol. 14, No. 3, 1 July 2010, pp. 15-34.


Surveillance de l’état de santé (Health monitoring):

Mots clés :

Diagnostic (détection et localisation), impédance électro-chimique, observateurs linéaires et non linéaires (filtre de Kalman étendu, observateurs à modes glissants), analyse de robustesse, fiabilité.

Descriptif :

Certaines sources, en particulier électro-chimiques, sont très sensibles aux conditions d’utilisation (température, densité de courant, profil d’utilisation dont le temps d’inactivité, conditions de démarrage et d’arrêt, etc). Garantir, par une démarche de conception, la meilleure utilisation en toutes circonstances entraîne un choix trop contraignant en termes de volume, masse et coût. Dans une volonté d’intégration de ces constituants dans des applications de grande série, il devient intéressant d’affiner la connaissance en temps réel de l’état de santé du système sensible et d’agir sur le contrôle commande (modification temporaire de stratégie) afin de maintenir le système dans les limites acceptables de fonctionnement au regard de sa durée de vie. C’est tout l’enjeu de cet axe qui doit s’appuyer sur une connaissance fine des processus multiphysique en jeu dans les constituants et la hiérarchiser afin de faire émerger les informations pertinentes sans des calculs lourds et dans un délai suffisamment court pour permettre une rétroaction appropriée. Le LGEP est actuellement engagé dans deux travaux collaboratifs.

- Le premier travail implique l’institut de recherche IFSTTAR. Il s’agit, sur des empilements PEM de puissance (systèmes multi-stacks) dédiés aux applications transport de trouver des indicateurs de défaillance à partir de mesures utilisant un nombre limité de capteurs non intrusifs [9] ; de proposer des interfaces de puissance permettant de moduler la sollicitation électrique lors d’une défaillance afin de permettre une continuité de service de l’équipement et un retour progressif vers les conditions optimales de fonctionnement [10].

- Le second travail est mené en collaboration avec PSA et SUPELEC. L’étude consiste à réaliser un diagnostic du système pile basé uniquement sur les capteurs nécessaires à son contrôle-commande et capable d’émettre des alarmes pertinentes en particulier lors de la phase critique de mise en route (15 à 30 premières minutes). Les deux défis sont donc le développement d’outils que l’on puisse mettre en œuvre en temps réel, capables de discerner entre défaillances réversibles et phénomènes irréversibles liés au vieillissement du système. Principe de la détection d’un engorgement dans l’empilement utilisant exclusivement des mesures de tension

* Professeur invité par l’Université Paris Sud 11 : Au printemps 2011, nous accueillerons le professeur Maria Serra Prat du laboratoire Institut de Robòtica i Informàtica Industrial (IRI) de l’Universitat Politècnica de Catalunya.

Rubrique « collaborations internationales »

Publications associées :

  • [9] Emmanuel Frappé, Alexandre De Bernardinis, Olivier Bethoux, Claude Marchand, Gérard Coquery, " Fault Detection and Identification using Simple and Non-Intrusive On-line Monitoring Techniques for PEM Fuel Cell ", IEEE ISIE, Bari, Italy, july 2010.
  • [10] Emmanuel Frappé, Alexandre De Bernardinis, Olivier Bethoux, Claude Marchand, Gérard Coquery, " Fault detection by localized voltage measurement on a PEMFC stack ", Fundamentals and Developments of Fuel Cells - Conference FDFC 2011, january 2011, Grenoble

 

Partenariats industriels

 

  • PSA (Contrat de trois ans sur la surveillance du système PEMFC)
  • IFSTTAR (Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux, fusion des anciens INRETS et LCPC)
  • GDR PACS (Axe système) et GDR SEEDS
  • Laboratoire des Signaux et Systèmes (L2S - Supélec), Division Systèmes
  • E3S « Supélec Sciences des Systèmes », Département d’automatique
  • ECS-Lab – ENSEA (Cergy-Pontoise)
  • Valéo