Fuel Cell Hybrid Vehicles : powertrain sizing and power management strategies.

Véhicules hybrides à pile à combustible :
dimensionnement et stratégies de commande.

Jérôme Bernard (1)

1 LAMIH - Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'Informatique industrielles et Humaines - UMR 8201

A fuel cell consumes hydrogen and oxygen to produce clean electric energy. The only byproducts are water and heat. Therefore fuel cell vehicles are considered for the long term sustainable mobility. In a fuel cell hybrid vehicle (FCHV), the electric powertrain is powered by a fuel cell system (FCS) and an energy storage system (ESS). This energy storage system can be either batteries or supercapacitors. The hybrid architecture allows defining power management strategies and offers opportunities in the powertrain sizing. Global optimisation algorithms provide a power split between the FCS and the ESS which minimizes the hydrogen consumption for a priori known driving cycles. The optimal results obtained cannot be used in real time application but they define benchmarks for control strategies evaluation. In this thesis, a sub-optimal real time strategy is proposed based on the optimal control algorithm. The hydrogen consumption also relies on the powertrain sizing. The FCS and ESS sizes should respect the vehicle dynamic capabilities (speed, acceleration) without penalizing the energetic aspects. A sizing tool which helps in the powertrain design is proposed. Finally in this thesis, the theoretical approaches concerning control strategies and sizing procedures are illustrated and validated by real applications (PAC-Car II prototype, Hy-Muve prototype, test bench).

La pile à combustible (PAC) produit de l'énergie électrique à partir d'hydrogène et d'oxygène sans rejets de polluants. Son utilisation dans le secteur automobile est donc envisagée à long terme pour répondre au problème de mobilité durable. Dans un véhicule hybride à PAC, la motorisation électrique est alimentée par une pile à combustible assistée par une source secondaire d'énergie (SSE). Cette source secondaire d'énergie est composée soit de batteries, soit de supercondensateurs. L'architecture hybride obtenue offre un degré de liberté dans la gestion des flux énergétiques et dans le dimensionnement du groupe motopropulseur. La répartition de puissance optimale entre la PAC et la SSE est obtenue grâce à des algorithmes d'optimisation globale qui minimisent la consommation d'hydrogène pour un parcours routier connu a priori. Les résultats obtenus avec ces algorithmes servent d'expertise et de référence de consommation mais sont inapplicables en temps réel. Ici, une stratégie de commande temps réel, nécessairement sous-optimale, a été construite à partir l'algorithme de commande optimale. La consommation d'hydrogène est également influencée par le dimensionnement de la PAC et de la SSE. Celui-ci doit garantir un confort de conduite acceptable (vitesses, accélérations) sans pénaliser les performances énergétiques du véhicule ; un outil d'aide au dimensionnement est nécessaire et proposé dans ce mémoire. Enfin, les approches théoriques développées dans cette thèse sont illustrées par des mises en applications sur des exemples concrets (prototype PAC-Car II, prototype Hy-Muve, banc d'essai).

Mots clés: fuel cell; hybrid vehicle; battery; supercapacitor; power management strategy; global optimization; powertrain sizing

Mots clés: pile à combustible; véhicule hybride; batterie; supercondensateur; stratégie de commande; <br />optimisation globale; dimensionnement du groupe motopropulseur

Domaines: Automatique / Robotique

Jérôme Bernard. Véhicules hybrides à pile à combustible :
dimensionnement et stratégies de commande.. Automatique / Robotique. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00271090⟩