Sujet de thèse : Stratégies de commande tolérantes aux

Sujet de thèse : Stratégies de commande tolérantes aux fautes – Applications
aux systèmes PEMFC
Laboratoire FEMTO-ST/FCLAB Belfort – Laboratoire LE2P Saint-Denis de la Réunion
Préambule – Contexte / Cofinanceurs
Les laboratoires FEMTO-ST / FCLAB de Belfort et LE2P de Saint-Denis de la Réunion souhaitent
développer une collaboration pérenne dans le domaine des énergies renouvelables et en
particulier celui du vecteur hydrogène-énergie.
Il ressort en particulier de premiers échanges et de visites physiques qu’il y a un intérêt partagé
autour de ces sujets, qui constituent un pilier scientifique et applicatif de ces deux laboratoires.
Les sujets de recherche actuels ainsi que les plates-formes expérimentales aujourd’hui disponibles
sont également en réelle complémentarité :
• Côté FEMTO-ST/ FCLAB, un axe de force se dégage autour du sujet du diagnostic/pronostic
de piles à combustible et des capacités expérimentales importantes existent autour de la
pile à combustible et de sa caractérisation en conditions extrêmes (en particulier
hivernales) de fonctionnement
• Coté LE2P, un axe de force se dégage autour du sujet du contrôle tolérant aux fautes pour
des systèmes pile à combustible et des capacités expérimentales importantes ont été
déployées autour de la production électrique photovoltaïque, stockée via électrolyseur
sous forme d’hydrogène énergie. En outre, le milieu insulaire et tropical constitue un
territoire de choix pour l’expérimentation à échelle 1 de ces technologies.
Ce sujet de thèse est co-financé entre les Régions Franche-Comté et Ile de la Réunion. Le(a)
doctorant(e) recruté(e) sur des critères d’excellence sera physiquement présent(e) 18 mois dans
chaque Région et laboratoire. Les co-directions et co-encadrements du (de la) doctorant(e) seront
répartis sur chaque laboratoire.
Résumé
De nombreuses activités de recherche et de transfert industriel ont été menées ces dernières
années dans le cadre de FEMTO-ST/FCLAB dans le domaine du diagnostic de piles à combustible
PEMFC. Ces activités positionnent aujourd’hui la Franche-Comté comme un leader européen, dans
ce domaine clef, qui vise à définir au mieux l’état de santé d’une pile à combustible. Un enjeu réside
à présent dans l’utilisation de ces informations pour modifier en temps réels le contrôle du
système pile à combustible, dans un objectif de complétude de la mission, d’augmentation de ses
performances et/ou de sa durée de vie. Il s’agit ici de contrôle tolérant aux fautes. Sur ce sujet, le
LE2P de l’Université de la Réunion a d’ores et déjà commencé des études préliminaires. Ce sujet
de thèse vise à utiliser aux mieux les compétences présentes dans les deux laboratoires pour
permettre le développement d’un système complet diagnostic-contrôle tolérant aux fautes pour
des systèmes PEMFC. Ceci permettra, en outre, une augmentation de la fiabilité et de la durée de
vie de ce système.
Contexte et cadre
Le pronostic du temps restant de bon fonctionnement d’une pile à combustible basse température
(PEMFC) est un enjeu majeur si l’on envisage à présent des applications industrielles à grande
échelle. En effet, une corrélation directe existe avec la garantie que peut proposer le fabricant,
mais également avec les aspects maintenance prédictive et palliative. Ceci est déjà étudié dans le
cadre de travaux et projets partenariaux par les acteurs du projet. En revanche, les conditions
opératoires qualifiées d’extrêmes (milieu tropical humide, hiver rigoureux) ne sont jamais prises
en considération. Elles sont néanmoins indispensables à considérer si un produit commercial
grand public veut être proposé. Cette thèse profite d’une réelle complémentarité entre les
partenaires scientifiques pour se positionner au niveau mondial sur ces sujets clefs.
Contexte et cadre
La pile à combustible (PàC) apparaît comme un système performant pour produire de l’électricité
« verte » à partir de l’hydrogène dès lors que celui-ci est produit à partir de sources d’énergie
renouvelables. Dans ce domaine, parmi les différentes technologies de piles à combustible
envisageables, les avantages et la maturité de la technologie à membrane polymère (PEMFC) font
de celle-ci une candidate prometteuse. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et
technologiques limitent encore son utilisation à grande échelle, en particulier son coût, sa fiabilité
et sa durée de vie en condition d’usage réel. L’amélioration de ces caractéristiques passe
notamment par la mise en place d’outils de supervision, de détection de fautes et de contrôle des
systèmes PàC.
Le travail de recherche proposé ici sera le fruit d’une collaboration entre le laboratoire FC LAB /
FEMTO-ST de Belfort et le laboratoire LE2P de Saint-Denis de la Réunion. Ce sujet de thèse s’inscrit
dans la continuité des travaux menés au laboratoire FC LAB / FEMTO-ST, portant en particulier
sur le diagnostic et le pronostic de systèmes pile à combustible, et des travaux menés au
laboratoire LE2P, portant sur le test en ligne d’algorithmes de commande de PEMFC.
Parmi les méthodes développées pour déployer la sûreté de fonctionnement à un système
physique, on retrouve les techniques de tolérance aux fautes, conçues pour maintenir la stabilité
du système ainsi que des performances acceptables, même en présence de défauts. Ces techniques
se décomposent généralement en trois phases : la détection d’erreurs ou de défaillances,
l’identification des défauts à l’origine des problèmes, et le recouvrement. Dans le cadre particulier
de l’application pile à combustible, la littérature [1-3] fait état d’un grand nombre d’outils de
diagnostic et d’algorithmes de contrôle, mais l’association du diagnostic et du contrôle reste
marginale [4].
L’objectif du travail sera ici de combiner les deux savoir-faire scientifique et technologique en
provenance des 2 laboratoires partenaires, pour permettre d’étendre la durée de fonctionnement
des systèmes pile à combustible, en s’appuyant sur l’identification temps réel de leur état de
fonctionnement actuel et futur, ainsi que sur une possible adaptation temps réel du contrôle, en
fonction de cet état de fonctionnement.
Le travail de recherche développé dans cette thèse concerne donc la définition, la mise en
œuvre et l’évaluation de stratégies de contrôle tolérantes aux fautes pour des systèmes pile
à combustible de type PEMFC, tirant profit des compétences des laboratoires partenaires.
Description et plan du travail de thèse
Il s’articule en 3 étapes :
Etape 1.
Actualisation de la base de données bibliographique sur le sujet. Production d’un rapport
bibliographique. Production d’un article de revue internationale de type « état de l’art ».
Etape 2.
Développement du module de diagnostic permettant de détecter, d’isoler et d’identifier un
dysfonctionnement sur la pile à combustible de type PEMFC (les fautes prises en considération
seront la teneur en eau du cœur de pile à combustible, la température de fonctionnement, une
variation des conditions d’alimentation en gaz, une défaillance du convertisseur statique de sortie
de la pile à combustible).
Etape 3. Développement de l’instrumentation d’un banc test
Développement du module de recouvrement permettant de modifier la structure et/ou les
paramètres du contrôleur en fonction du dysfonctionnement identifié, dans un objectif de
pérenniser la production énergétique, même dégradée..
Etape 4. Couplage entre l’outil logiciel / matériel de diagnostic temps réel et l’outil logiciel /
matériel de recouvrement. Tests et validation en ligne de la stratégie.
Un objectif chiffré associé à cette thèse sera la production d’un minimum de 3 articles de revues
internationales (a minima soumis dans les 36 mois de thèse).
Encadrement :
• Région Franche-Comté
Direction : Marie-Cécile Péra (PU UFC, FEMTO-ST, FCLAB), Co-encadrement : Nadia Steiner
(MDC UFC, FEMTO-ST, FCLAB)
• Région Réunion :
Direction : Brigitte Grondin-Perez (PU Univ. La Réunion, LE2P), Co-encadrement : Jean-Pierre
Chabriat (PU Univ. La Réunion, LE2P)
[1] Z. Zheng, R. Petrone, M.C. Péra, D. Hissel, M. Becherif, C. Pianese, N. Yousfi-Steiner, M.
Sorrentino, « A review on non-model based diagnosis methodologies for PEM fuel cell stacks and
systems », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, N°21, pp. 8914-8926, June 2013
[2] R. Petrone, Z. Zheng, D. Hissel, M.C. Péra, C. Pianese, M. Sorrentino, M. Becherif, N. YousfiSteiner, « A review on model-based diagnosis methodologies for PEMFCs », International Journal
of Hydrogen Energy, vol. 38, N°17, pp. 7077-7091, June 2013
[3] Liangfei Xu , Jianqiu Li, Minggao Ouyang, Jianfeng Hua, Xiangjun Li, “Active fault tolerance
control system of fuel cell hybrid city bus”, Int. Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, Issue 22,
November 2010, Pages 12510–12520
[4] C. Lebreton, C. Damour, M. Benne, B. Grondin-Perez, J.P. Chabriat, Méthode en ligne de
détection, isolation et recouvrement de fautes appliquée à la PEMFC, GDR CNRS HySPAC, Poitiers,
2014.
Contact :
[email protected]
Université de Franche-Comté
Laboratoire FEMTO-ST (UMR CNRS 6174)
Fédération FCLAB (FR CNRS 3539)