Contribution au développement d'un convertisseur DC-DC haute puissance faible tension pour des applications électrolyseur à membrane échangeuse de protons

La mobilité électrique ou hybride est un sujet d’actualité qui mobilise l’industrie automobile, les chercheurs et les collectivités dans le but de réduire les émissions de C02 et améliorer la qualité de l’air dans les grandes métropoles. L’hybridation des véhicules automobiles peut être faite à différentes échelles et à différents coûts du micro-hybride (Stop-Start) au véhicule tout électrique ayant zéro émission.
Le travail proposé dans ce projet vise une gamme intermédiaire « Mild-Hybrid » dont le principe est d’utiliser l’alternateur déjà existant dans les véhicules pour la récupération de l’énergie dans les phases de freinage et pour l’aide à la traction permettant ainsi un sous-dimensionnement du moteur thermique. Cette technologie présente un surcoût modeste mais une réduction notable de la consommation et par conséquent de la pollution. Dans un esprit de simplicité et d’efficacité de la chaine de traction, il est intéressant de ne pas ajouter des composants additionnels au système, ce qui augmenterai les coûts et les risques de pannes. Cette thèse s’inscrit dans cet objectif. Elle constitue une continuité de travaux de recherche déjà lancés avec un équipementier automobile Valeo (leader mondial des alternateurs de voitures) dans le cadre d’un projet soutenu par l’état Français : LowCO2Motion+.

Le développement des énergies renouvelables (ENR) nécessite des modifications importantes des réseaux électriques si l’on veut atteindre les objectifs annoncés par de nombreux pays à l’horizon d’une vingtaine d’années. Les lignes et les postes ont des capacités limitées et l’installation de nouvelles centrales de production, éolienne en particulier, n’est pas toujours simple.
Un autre problème freine le développement des ENR car ces sources ne participent en général pas aux services réseau (réglage de la tension, réglage de la fréquence, suppression d’harmoniques, de déséquilibres…). Les sources ENR sont souvent passives vis-à-vis de ces services et laissent les centrales classiques prendre en compte ces problèmes.
Une solution au caractère intermittent des ENR et permettant d’apporter certains services est l’association à une source ENR d’éléments de stockage comme des batteries, le tout étant connecté au réseau par l’intermédiaire d’un convertisseur statique.
Le sujet de thèse proposé s’intéresse aux différents services réseau que peut apporter un élément de stockage couplé à une source ENR.
Dans un premier temps, il s’agira de définir les différents services que peut apporter le couple élément de stockage – convertisseur statique de connexion au réseau que ce soit au niveau de la compensation d’harmoniques, de la prise en compte de charges déséquilibrées ou de la compensation de réactif .
Dans un deuxième temps, il faudra définir une architecture de l’élément de stockage, du convertisseur statique et du contrôle de l’ensemble et effectuer ensuite une simulation de l’ensemble afin de vérifier son fonctionnement dans le cas des différents services attendus.
Dans un 3ème temps et dans le cadre du projet MHyrabel (Mission HYdrogène pour la Régulation, l’Assistance au réseau et à la mobilité à partir des Eoliennes Lorraines), il s’agira de remplacer la batterie par un stockage hydrogène.

Pour répondre aux contraintes liées aux applications des machines tournantes très hautes vitesses, les paliers magnétiques actifs ont été développés et sont actuellement utilisés dans le monde industriel. Cette technologie permettant la lévitation des parties tournantes évite tout frottement, ainsi elle a permis de répondre à la majeure partie des contraintes en termes de vitesse, usure, continuité de fonctionnement, propreté... Pour autant, son encombrement et son coût constituent des freins majeurs à leurs développement. Ce travail porte sur une solution alternative permettant de réunir dans un même système la fonctionnalité d'un moteur électrique et d'un palier magnétique actif. Cette solution est appelée moteur auto-lévité "bearingless motor". Cette thèse propose, après un rappel du fonctionnement des paliers magnétiques actifs, de réunir, développer et valider expérimentalement l'ensemble des modèles nécessaires au dimensionnement d'un moteur auto-lévité à aimants permanents avec ses convertisseurs statiques. Dans un premier chapitre, les principes de base du fonctionnement des paliers magnétiques actifs est abordé. Puis, un état de l'art des moteurs auto-lévités est présenté permettant ainsi de déterminer la topologie la plus adaptée pour remplacer les paliers magnétiques dans des applications hautes vitesses. Dans un second chapitre, des modèles magnétiques spectraux sont développés en tenant compte des différents harmoniques spatiaux de l'induction et de leurs sources. Les interactions des différents harmoniques spatiaux sont alors mises en évidence et quantifiées afin d'identifier leurs contributions à la force et à ses ondulations. De plus, il est montré comment le décentrement du rotor agit sur le contenu spectral de l'induction d'entrefer. L'ensemble de ces informations permet alors de choisir et dimensionner le circuit magnétique pour minimiser les ondulations de forces dans les moteurs auto-lévités à aimant permanent. Dans le troisième chapitre, un modèle externe spécifiquement dédié aux machines auto-lévitées est développé. L'évolution des paramètres en fonction de l'état du système sont déterminés à partir des modèles magnétiques précédemment développés. Ce modèle permet alors de choisir un convertisseur statique et une stratégie de commande adaptées. Cette étude permet alors de choisir le bobinage minimisant les contraintes sur le convertisseur statique. Pour finir dans un quatrième chapitre, un prototype spécialement conçu a été dimensionné et réalisé afin de valider les principes théoriques énoncés lors de cette thèse. Le principe de base de l'auto lévitation a pu être mis en œuvre et validé. Dans un second temps les harmoniques de force ont été identifiés expérimentalement, leurs suppressions a été possible grâce à une commande adaptée basée sur les modèles magnétiques précédemment établis. Cette thèse constitue une avancée intéressante sur la modélisation fine des moteurs auto-lévités. Elle permet de réunir l'ensemble des informations nécessaires à un dimensionnement optimal et à la commande de ces machines.

Les travaux de recherche dans le cadre de cette thèse sont axés sur la partie commande de la machine i-StARS de Valéo pour une application de véhicules mild-hybrid. On parle de mild-hybrid lorsque la chaîne de traction électrique apporte du couple à la chaîne de traction principale lors d’appels de puissance importants uniquement (démarrage, accélaration du véhicule,…). Le premier objectif de cette étude est de limiter l’appel de courant statorique lors des phases transitoires de la machine (démarrage, accélération) en choisissant une stratégie de commande adaptée. Le second objectif, le plus délicat, est de supprimer les mesures des courants statoriques. L’avantage de cette solution est évident pour Valéo, puisqu’elle permet de réduire significativement les coûts de production.