Thèse Étude et Conception d'Un Convertisseur Électronique de Puissance Permettant de Connecter une Pile à Combustible à une Batterie Électrochimique Modulaire Novatrice Générant des Tensions Ac H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Il s'agit désormais de poursuivre les développements scientifiques et technologiques fondés sur cette technologie. L'un des axes majeurs à explorer dans le cadre de cette thèse concerne l'interfaçage d'une pile à combustible avec cette batterie modulaire AC.

Un des défauts des véhicules électriques est leur autonomie limitée par le poids de la batterie. Pour permettre de prolonger les déplacements sans devoir recharger le véhicule est de lui adjoindre une pile à hydrogène. Dans le cadre du projet IBIS, un brevet a été déposée proposant un concept permettant la connexion électrique de la pile à la structure modulaire de batterie. Ce concept est novateur car, bien que la littérature présente déjà des applications reliant différentes sources d'énergie à un onduleur multiniveau, aucune, à notre connaissance, n'intègre une source de tension du type de la batterie IBIS.
Le sujet de thèse proposé se situe dans le domaine de l'électrification des usages et les applications véhicule. Ces travaux se dérouleront au GeePs au sein du pôle Systèmes d'Énergie du laboratoire et dans l'équipe SEPA (Systèmes Électroniques de Puissance et Actionneurs). Le support scientifique, technique et financier sera apporté par le projet IBIS 2 labélisé par France 2030 et financé par la BPI.
La technologie IBIS (Intelligent Battery Integrated System), développée dans le cadre d'un projet collaboratif ambitieux, regroupant 4 industriels (Stellantis, SAFT, E2CAD et Sherpa Engineering) et 4 laboratoires académiques [1], financé durant la période 2019-2024 par le PIA administré par l'ADEME, provoque un changement de paradigme dans la conception des chaînes de traction électriques avec une batterie capable de produire directement et simultanément un courant alternatif triphasé et un courant continu. Dans ce projet, les laboratoires GeePs et SATIE sont impliqués dans de nombreux aspects de recherche innovants. Le projet IBIS 2, proposé en continuité, vise à faire progresser la maturité de la technologie IBIS et à démontrer la capacité de l'innovation à adresser l'ensemble du marché des véhicules électriques. Le projet vise également à mutualiser la technologie IBIS avec le domaine stationnaire porté par la société SAFT pour le développement et la commercialisation de systèmes de stockage d'énergie (ESS) de quelques MWh. Un démonstrateur IBIS a été développé et présenté à la presse internationale le 19/09/2025 [2]. Cette première mondiale a été largement diffusée dans la presse nationale et internationale.
Il s'agit désormais de poursuivre les développements scientifiques et technologiques fondés sur cette technologie. L'un des axes majeurs à explorer dans le cadre de cette thèse concerne l'interfaçage d'une pile à combustible avec cette batterie modulaire AC.
Un des défauts des véhicules électriques est leur autonomie limitée par le poids de la batterie. Pour permettre de prolonger les déplacements sans devoir recharger le véhicule est de lui adjoindre une pile à hydrogène. Dans le cadre du projet IBIS, un brevet a été déposée proposant un concept permettant la connexion électrique de la pile à la structure modulaire de batterie [3] (Fig. 1). Ce concept est novateur car, bien que la littérature présente déjà des applications reliant différentes sources d'énergie à un onduleur multiniveau [4], [5], aucune, à notre connaissance, n'intègre une source de tension du type de la batterie IBIS.
1) Il s'agira de proposer et modéliser différentes topologies électroniques de conversion susceptibles d'assurer l'interfaçage entre la pile à combustible (source DC) et la batterie AC IBIS. Ces structures devront répondre à des contraintes spécifiques en matière de rendement, de densité de puissance et de compatibilité électromagnétique. Des simulations préliminaires permettront d'évaluer la faisabilité et les performances globales de chaque architecture.
2) Définition et validation des stratégies de commande
Pour chacune des structures retenues, une stratégie de commande sera développée. Celle-ci devra assurer d'une part la commande bas-niveau de la structure de conversion (régulation des tensions et courants), et d'autre part la gestion haut-niveau du transfert énergétique entre la pile à combustible et la batterie AC IBIS, en tenant compte des dynamiques propres à chacune des sources.
3) Dimensionnement, choix technologiques et analyses de rendement
Une phase de dimensionnement permettra de sélectionner les composants électroniques de puissance adaptés aux contraintes électriques et thermiques identifiées. Des simulations fines seront ensuite menées afin d'évaluer les pertes dans les différentes parties du convertisseur. L'analyse des rendements permettra de comparer les performances des architectures envisagées et des choix technologiques associés. Une attention particulière sera portée à l'intégration de technologies émergentes, telles que les transistors bidirectionnels à semi-conducteurs à grand gap, offrant des perspectives d'amélioration significatives en termes de compacité et d'efficacité énergétique.
4) Réalisation d'une preuve de concept matérielle
À l'issue des phases de simulation et d'analyse, une architecture sera sélectionnée pour le développement d'une preuve de concept matérielle. Cette étape comprendra la conception, la réalisation et la mise en oeuvre expérimentale du convertisseur retenu, ainsi que le développement de sa commande associée.
5) Validation expérimentale et caractérisation du prototype
Enfin, une campagne d'essais expérimentaux sera conduite sur le prototype développé. Les performances seront évaluées selon plusieurs critères - électriques, énergétiques et thermiques - afin de valider la pertinence de l'architecture retenue et de quantifier les gains apportés par les solutions proposées. Pour ces validations, la batterie IBIS et la pile à combustible seront émulées à l'aide de sources et de charges commandées, de manière à constituer un banc d'essai de type HIL (Hardware-In-the-Loop) avec le convertisseur électronique de puissance.
6) Extension de la solution technologique pour les applications de stockage stationnaires
Proposition de lois de commande permettant l'interfaçage de la batterie modulaire avec une installation photovoltaïque.