Contribution to prognostics of fuel cells of PEMFC type - approach based on particle filtering.
Contribution au pronostic d'une pile à combustible de type PEMFC - approche par filtrage particulaire.
Résumé
The development of new energy converters, more efficient and environment friendly, such as fuel
cells, tends to accelerate. Nevertheless, their large scale diffusion supposes some guaranties in terms
of safety and availability. A possible solution to do so is to develop Prognostics and Health
Management (PHM) on these systems, in order to monitor and anticipate the failures, and to
recommend the necessary actions to extend their lifetime. In this spirit, this thesis deals with the
proposal of a prognostics approach based on particle filtering dedicated to PEMFCs.
The reasoning focuses first on setting a formalization of the working framework and the
expectations. This is pursued by the development of a physic-based modelling enabling a state of
health estimation and its evolution in time. The state estimation is made thanks to particle filtering.
Different variants of filters are considered on the basis of the literature and new proposals adapted
to PHM are proposed and compared to existing ones. State of health estimates given by the filter are
used to predict the future state of the system and its remaining useful life. All the proposals are
validated on four datasets from PEMFC following different mission profiles. The results show good
performances for predictions and remaining useful life estimates before failure.
Le développement de nouveaux convertisseurs d’énergie, plus efficients et plus respectueux de
l’environnement, tels que les piles à combustibles, tend à s’accélérer. Leur diffusion à grande échelle
suppose cependant des garanties en termes de sécurité et de disponibilité. Une solution possible
pour ce faire est de développer des solutions de Prognostics and Health Management (PHM) de ces
systèmes, afin de mieux les surveiller, anticiper les défaillances et recommander les actions
nécessaires à l’allongement de leur durée de vie. Dans cet esprit, cette thèse porte sur la proposition
d’une approche de pronostic dédiée aux piles à combustibles de types PEMFC à l’aide de filtrage
particulaire.
Le raisonnement s’attache tout d’abord à mettre en place une formalisation du cadre de travail
ainsi que des exigences de mise en. Ceci se poursuit par le développement d’un modèle basé sur la
physique permettant une estimation d’état de santé et de son évolution temporelle. L’estimation
d’état est réalisée grâce à du filtrage particulaire. Différentes variantes de filtres sont considérées sur
la base d’une de la littérature et de nouvelles propositions adaptées au PHM sont formulées et
comparées à celles existantes. Les estimations d’état de santé fournies par le processus de filtrage
sont utilisées pour réaliser des prédictions de l’état de santé futur du système, puis de sa durée de
vie résiduelle. L’ensemble des propositions est validé sur 4 jeux de données obtenus sur des PEMFC
suivant des profils de mission variés. Les résultats montrent de bonnes performances de
prédictions et d’estimations de durée de vie résiduelle avant défaillance.