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Mémoire présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en : Electrotechn

Mémoire présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en : Electrotechnique Option : Electricité Industrielle Modélisation et Contrôle du système, Pile à Combustible, Convertisseurs et Supercondensateur Présenté par : Samah SAKER Soutenu publiquement le ……………… Devant le jury composé de : الجوهىريت الجسائريت الديوقراطيت الشعبيت République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعلين العالي و البحث العلوي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mohamed Khider – Biskra Faculté des Sciences et de la technologie Département : Génie Electrique Réf :……………… جاهعت هحود خيضر بسكرة كليت العلىم و التكنىلىجيا قسن: الهندست الكهربائيت :الورجع…………… Président MOUSSI Ammar Pr Université de Biskra Rapporteur ABOUBOU Abdennacer Pr Université de Biskra Co-Encadreur AYAD Mohamed-Yacine Dr Université de Belfort Examinateur SRAIRI Kamel Pr Université de Biskra Examinateur MIMOUNESOURI Mohamed Pr Université de Biskra Examinateur BAHRI Mbarek M.C Université de Biskra Tout d’abords, je rends grâce à Allah pour toutes les bénédictions et la grâce de la réussite. A ma chère mère, pour ses scarifies de puis qu’elle m’a mise au monde ; A mon cher père, qui m’a toujours soutenu et m’a aider à affronter les difficultés ; A tous ce mes chères sœurs : Mouna et Meriem et mes chères frères Adelene, Abdelkader, Mohamed Islem et sife eddine. A mes tontes et mes oncles et mes grands-mères. A tous ma famille. Pour tous ceux qui ont fait pour que je puisse les honorer. A tous mes amis particulièrement : Wafa , Salima ,Khadidja, Aicha,Fahima, Samia, Mina, Kheira,…, et mes collègues. A tous les enseignants du département d’électrotechnique ; Je dédie ce modeste travail SAMAH Remerciements LOUANGE A ALLAH QUI NOUS DONNE LA FOI, LE COURAGE, LA PATIENCE ET LA VOLONTE POUR REALISER CE MODESTE TRAVAIL DANS DES MEILLEURES CIRCONSTANCES ET EN BON ETAT Ce travail de thèse à été effectué au Laboratoire d’étude M.S.E du département de Génie électrique, Faculté des sciences et science de l’Ingénieur, Université Mohammed Khider de Biskra.  Mes respectueux remerciements s’adressent à mon directeur de thèse Monsieur Abdennacer ABOUBOU Maître de Conférences du département de génie électrique de l’Université de Biskra, et le Co-Encadreur de thèse, Docteur Mohamed-Yacine AYAD de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard en France pour avoir dirigé mes travaux de recherche ainsi que pour leurs disponibilités, leur patience et leurs précieux conseils, leurs encouragements et les efforts qu’il m’a prodigués durant la réalisation de ce travail.  Meilleurs salutations aux membres du jury de thèse pour l’honneur qu’ils m’ont fait de participer à l’évaluation de mon travail.  J’exprime aussi mes vifs remerciements au Directeur du laboratoire L.M.S.E. de Biskra Monsieur BAHRI Mebarek pour les facilités et la mise à disposition des moyens du laboratoire. Je tiens à exprimer encore mes sincères remerciements au :  Docteur Mohamed BECHRIF de l’Université de Technologie de Belfort- Montbéliard en France.  MOHAMMEDI Messaoud Maitre Assistant de l’Université de Biskra département de génie électrique.  SAADI Aicha maitre assistant a l’université de Biskra département de génie électrique  Toutes les personnes qui de près ou de loin m’ont aidée à finaliser travail.  Tous les enseignants du département de Génie électrique.  A mes chers parents. Remerciements  A mes chéris frères et sœurs  Ma famille.  A mes collègues.  A tous mes amis. Sommaire général i Introduction générale………………………………………………………………….. 1 Chapitre I : Véhicule hybride I.1 Introduction ………………………………………………………………………... 3 I.2 Véhicule hybride à pile à combustible…………………………………………….. 3 I.3 Les composants du véhicule hybride ……………………………………………… 6 I.3.1 Le Moteur électrique ………………………………………………………. 7 I.4 Problématique du contrôle des véhicules hybrides ………………………………... 8 I.4.1 Les différentes architectures hybrides ……………………………… I.4.1.1 Hybride série……………………………………………………... 8 I.4.1.2 Architecture parallèle ……………………………………………. 10 I.4.2 Les modes de fonctionnement …………………………………………….. 12 I.4.2.1 Le Stop-and-Start………………………………………………… 12 I.4.2.2 Le mode régénération …………………………………………….. 12 I.4.2.3 Le mode freinage récupératif ……………………………………... 12 I.4.2.4 Le mode boost ……………………………………………………. 12 I.4.2.5 Le mode alternateur……………………………………………….. 13 I.4.2.6 Le mode thermique pur…………………………………………… 13 I.4.2.7 Le mode électrique pur…………………………………………… 13 I.5 Principaux types de véhicules hybrides …………………………………………… 13 I.5.1 Le véhicule électrique avec prolongateur d’autonomie ………………….. 14 I.5.2 Le véhicule thermique assisté électriquement ……………………………. 14 I.5.3 Le véhicule électrique hybride proprement dit…………………………… 14 I.6 Le véhicule à pile à combustible chez les différents constructeurs…………………. 16 I.7 Conclusion…………………………………………………………………………… 17 Chapitre II : Généralité sur la pile à combustible II.1 Introduction……………………………………………………………………. 18 II.2 LA Pile à Combustible………………………………………………………. 18 II.2.1 Historiqque …………………………………………………………………… 18 II.3 LA PILE À COMBUSTIBLE À MEMBRANE POLYMÈRE (TYPE PEM)…….. 20 II.3.1Principe de fonctionnement…………………………………………………. 20 II.3.2 Les déférents types de piles à combustible ………………………………… 22 II.4 Hydrogène …………………………………………………………………………. 24 II.5 Construction de pile à combustible de type PEM………………………………….. 25 II.5.1 L’alimentation des piles en combustible …………………………………... 25 Sommaire général ii II.6 SYSTEME PILE A COMBUSTIBLE EMBARQUE …………………………….. 25  Le conditionnement entrée-sortie cathode …………………………………… 26  Le conditionnement entrée-sortie anode………………………………………... 27  Le refroidissement et l’humidification………………………………………….. 27  La conversion et l’exploitation de l’énergie électrique…………………………. 27 II.7 APPLICATIONS DES PILES A COMBUSTIBLES …………………………… 28 II.7.1 Applications portables………………………………………………………. 28 II.7.2 Applications stationnaires ………………………………………………….. 28 II.7.3 Applications embarquées ………………………………………………… 29 II.7.3.1 Véhicules légers…………………………………………………… 29 II.7.3.2. Véhicules lourds…………………………………………………… 29 II.8 Les rendements de fonctionnement des PAC……………………………………… 30 II.9 MODELE ELECTROCHIMIQUE DE LA PILE A COMBUSTIBLE PEMFC ….. 31 II.9.1 Le modèle statique de Larminie and dicks…………………………………. 31 II.9.1.1 Pertes d’activation ………………………………………………….. 32 II.9.1.2 Pertes ohmique ……………………………………………………... 33 II.9.1.3 Pertes de concentration …………………………………………….. 33 II.9.1.4 Les paramètres de la pile ………………………………………….. 33 II.9.2 Le schéma de simulation …………………………………………………… 34 II.9.3 Les résultats du la simulation………………………...................................... 34 II.10 Avantages et inconvénients des piles à combustible de type PEM ……………… 36 II.10.1 Avantages des piles à combustible de type PEM ………………………... 36 II.10.2 Inconvénients des piles à combustible de type PEM ……………………. 36 II.11 Conclusion ……………………………………………………………………….. 37 Chapitre III : Généralités sur les supercondensateurs III.1 INTRODUCTION ………………………………………………………………… 38 III.2 Principe de fonctionnement………………………………………………………... 38 III.3 Applications courantes des supercondensateurs ………………………………….. 40 III.4 Type de stockeur d’énergie………………………………………………………... 41 III.4.1 Stockeur d’énergie fixe …………………………………………………… 41 III.4.2 Stockeur d’énergie embarqué …………………………………………….. 42 III.5 Comparaison entre les batteries et les supercondensateurs………………………... 43 III.6 Supercondensateurs : avantages, inconvénients …………………………………... 45 III.6.1Les avantages……………………………………………………………….. 45 III.6.2 Les inconvénients…………………………………………………………. 45 III.7 Modélisation comportementale des super condensateurs ………………………… 45 III.7.1Modélisation des Supercondensateurs ……………………………………… 46 III. 7.2Modèle d'une cellule sans branche lente ………………………………….. 48 III.8 Conclusion………………………………………………………………………… 50 Sommaire général iii Chapitre IV : Commande de la source hybride : pile á combustible/supercondensateurs IV.1 Introduction……………………………………………………………………… 51 IV.2 Source embarqué utilisant une Pile à combustible…………………………………. 51 IV.2.1 Modélisation du hacheur survolteur………………………………………….. 51 IV.2.2 Commande du hacheur survolteur …………………………………………… 52 IV.3 Schéma de simulation …………………………………………………………….. 54 IV.4 Résultat de la simulation ………………………………………………………… 55 IV.5 Interprétation des résultats ……………………………………………………… 56 IV.6 Commande des convertisseurs DC-DC par mode glissant …………………… 57 IV.6.1Objectif de la commande par mode glissant………………………………….. 57 IV.6.2 PRINCIPE DU REGLAGE PAR MODE GLISSANT ……………………… 57 IV.6.3 Système à structure variable ………………………………………………… 59 IV.6.3.1 Configuration avec changement de la structure par commutation d’une contre- réaction d’état variable 59 IV.6.3.2 Configuration avec changement de la structure par commutation au niveau de l’organe de commande 60 IV.6.4 CONDITIONS D’EXISTENCE DU MODE GLISSANT …………………. 60 IV.6.5 Fonction de LYAPUNOV ……………………………………………………… 61 IV.7 Source embarqué utilisant une pile à combustible et des supercondensateurs 63 IV.7.1 Modélisation de système ………………………………………………………. 63 IV.7.2 Application de la commande mode glissement……………………………… 64 IV.7.3 Le schéma de simulation ……………………………………………………… 66 IV.7.4 Les résultats de simulation …………………………………………………… 67 IV.7.5 Interprétation des résultats …………………………………………………… 68 IV.6 Les paramètre …………………………………………………………………… 69 IV.7 Conclusion ……………………………………………………………………… 71 Conclusion générale ………………………………………………………………… 72 Références Bibliographiques Liste des tableaux iv Tab.I.1: Flux énergétiques au sein du groupe motopropulseur………………………….. 5 Tab. I.2 : Caractéristiques générales des moteurs électriques synchrone et asynchrone... 8 Tab.I.2 : Exemples de véhicules à pile à combustible…………………………………... 15 Tab.II.1 : Différents types de piles à combustible………………………………………. 23 Tab.III.1 : comparaison entre les éléments de stockage………………………………… 44 Liste des figures v Fig. I.1: Exemple d’architecture de véhicule à pile à combustible hybride 06 Fig. I.2 : Véhicule hybride série 09 Fig. I.3 :L'architecture hybride parallèle simple arbre 10 Fig. I.4 : l'architecture double arbre 11 Fig. I.5: L'architecture hybride combinée. 11 Fig. I.6 : Spectre des différents types d’hybrides. 13 Fig. 1.7 : Véhicules de petite série Silverado et Equinox de Chevrolet 16 Fig. II.1 : L’expérience de Sir William Grove /ClubPac/ 19 Fig .II.2 : Principe de la réaction catalytique dans l’électrode volumique 21 Fig. II.3 : schéma de principe d’une pile a combustible PEMFC 22 Fig.II.4 : schéma du principe de fonctionnement d’une pile 24 Fig.II.5: Schéma des PAC fonctionnant à haute température et à reformage interne de l’hydrogène 25 Fig.II.6 : Schéma illustrant les différents éléments d’un système PàC 26 Fig. II.7 : Comparaison de la performance des PAC à la performance d’autre système de production de puissance (Fuel Cell Handbook, 2000) 30 Fig.II.8 : Caractéristique Tension-courant d’une pile PEM 32 Fig II.9. Le schéma de la simulation au MATLAB 34 Fig.II.10.Caractéristique statique de la pile PEM 500 W du GREEN 34 Fig.II.11.la puissance de la pile PEM 500 W du GREEN 35 Fig. II.12: Photographie d’une pile à combustible PEM du constructeur ZSW (20 cellules ; puissance nominale de 500W) sur le uploads/Litterature/ memoire-eclet-2013-pdf.pdf