Contribution à l'étude systémique de dispositifs énergétiques à composants électrochimiques. Formalisme Bond Graph appliqué aux piles à combustible, accumulateurs Lithium-Ion, Véhicule Solaire

摘要

Cette thèse constitue une contribution à l'étude des systèmes de conversion d'énergie électrique avec composants électrochimiques. La démarche retenue, systémique, exploite le caractère unifiant du formalisme Bond Graph pour modéliser tous les composants et les systèmes étudiés. Un état de l'art des composants électrochimiques de stockage et de production décentralisée d'énergie électrique met en exergue des phénomènes communs en vue d'une "modélisation générique orientée système". Les modèles de piles à combustibles (PAC) à oxyde solide (SO) ou à membrane polymère échangeuse de protons (PEM) et d'accumulateurs Lithium-Ion, spécifiquement développés en collaboration avec des spécialistes de l'électrochimie, représentent explicitement au niveau macroscopique les phénomènes de conversion, réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique, thermodynamique, électrique et thermique. Ces modèles sont exploités pour étudier la modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations série ou parallèle de piles à combustible. La démarche est ensuite appliquée à l'étude des architectures et de la gestion d'énergie de groupes électrogènes à PAC-PEM et à stockage en accumulateurs ou en supercondensateurs. Les notions de pilotage de la PAC "en tension", "en courant" ou "au fil de la consommation" sont définies et étudiées. Des essais de caractérisation et de fonctionnement menés sur des dispositifs expérimentaux spécialement réalisés valident les résultats théoriques. Pour finir, une étude originale de gestion d'énergie globale, menée sur le véhicule solaire "Solelhada", illustre la pertinence de la démarche sur un système complexe, photovoltaïque, autonome et mobile, modélisé dans son ensemble.