Validation HIL d’architectures d’électronique de puissance et de leurs commandes pour systèmes hybrides multi-piles à combustible de type PEMFC, dédiés à la mobilité lourde (H/F)

Description du Poste

Les Missions

Contexte scientifique

Les travaux de recherche menés lors du Post-Doctorat s’inscrivent dans le cadre du projet intitulé « Optimisation de systèmes d’énergie hybride pour systèmes pile PEM multi-stacks dédiés au transport lourd » (Projet HYSYSPEM https://www.pepr-hydrogene.fr/projets/hysyspem/ ), financé par le PEPR Hydrogène (PEPR H2 - https://www.pepr-hydrogene.fr/ ). Ce projet HYSYSPEM a notamment pour objectif l’optimisation de systèmes hybrides à piles à combustible PEM multi-stacks pour des applications de mobilité lourde, telles que les transports maritime et terrestre. De manière globale, ce projet ambitionne d’améliorer conjointement les architectures électriques et fluidiques, la gestion d’énergie, la durée de vie des piles, la disponibilité du système et la montée en puissance par approche multi-stack.

Dans ce contexte, les architectures de puissance mises en œuvre jouent un rôle central, ainsi que les algorithmes de commande qui leur sont associés : tous deux assurent l’adaptation de la forme de l’énergie entre les piles PEMFC, le bus DC, le stockage électrique et la charge, tout en assurant des fonctionnalités avancées de commande, de diagnostic, de reconfiguration après défaillance et de fonctionnement en mode dégradé. Le Work Package WP4 du projet HYSYSPEM porte plus spécifiquement sur le fonctionnement tolérant aux défauts des systèmes piles hybrides mono- et multi-stacks, tandis que le Work Package WP5 concerne le développement de plateformes de test et de simulation dites X-In-the-Loop (XIL) et la validation des concepts, principalement validés dans le WP4.

Le programme scientifique du WP5 prévoit explicitement le développement d’un jumeau numérique du système hybride, incluant les architectures de piles à combustible et l’électronique de puissance, pour la validation XiL.

Le présent post-doctorat s’inscrit donc à l’interface entre le WP4 et le WP5. Il aura pour objectif principal de construire, implémenter et valider une chaîne de validation HIL de type Controller Hardware-in-the-Loop (C-HIL), voire Power Hardware-in-the-Loop (PHIL), pour des architectures DC/DC associées à des systèmes PEMFC hybrides multi-stacks destinés à la mobilité lourde.

L'Activité

Objectif général
L’objectif du post-doctorat est de développer une méthodologie complète de validation temps réel, de type Model-In-the-Loop (MIL)–SIL–HIL, pour des architectures d’électronique de puissance associées à des systèmes hybrides PEMFC mono- et multi-stacks. Le travail portera plus particulièrement sur l’implémentation de modèles temps réel de convertisseurs DC/DC, de piles à combustible, de stockage et de charge, ainsi que sur la validation de leurs commandes en fonctionnement sain et en présence de défaillances.
Les plateformes expérimentales visées sont principalement OPAL-RT OP4512, Typhoon HIL 402/602 et MicroLabBox, cette dernière pouvant jouer le rôle de contrôleur externe basé sur un FPGA, dans une configuration CHIL. La description détaillée du WP5 mentionne explicitement la validation XiL d’un système multi-stack composé de 2 piles à combustible + convertisseurs de puissance (de type TLBC/MTL2BC) + charge, en boucle fermée, sur les cibles OPAL-RT et Typhoon HIL, associées à une MicroLabBox utilisée pour l’implémentation du contrôle.

Verrous scientifiques
Le travail réalisé lors du post-doctorat devra apporter des solutions à plusieurs verrous scientifiques majeurs.

Le premier concerne la modélisation temps réel d’architectures d’électronique de puissance. Les modèles détaillés commutés seront nécessaires pour analyser les contraintes électriques, les ondulations de courant, les défauts semi-conducteurs et les stratégies de commande. Cependant, leur exécution en temps réel peut s’avérer complexe et nécessiter un pas de calcul très faible. Une optimisation en terme de modélisation est donc nécessaire.

Le deuxième verrou concerne le couplage multi-échelle entre le convertisseur, la pile à combustible, le stockage, la charge et le système de gestion d l’énergie (Energy Management System – EMS). Le livrable D5.1 du projet HYSYSPEM a démontré que les modèles 0D et les modèles d’ordres réduits ROM sont essentiels pour rendre les systèmes PEMFC hybrides compatibles avec les contraintes temps réel et le prototypage HIL.

Le troisième verrou concerne la validation des commandes en présence de défaillances. Le travail réalisé devra couvrir non seulement le fonctionnement en mode sain, mais également la défaillance de composants de puissance et les stratégies de reconfiguration du convertisseur, permettant ainsi de maintenir une continuité de service ou un mode dégradé acceptable.

Le quatrième verrou concerne la cohérence entre les approches de prototypage dites MIL, SIL et HIL. Le livrable D5.1 rappelle que la méthodologie XiL s’appuie sur une évolution progressive des approches MIL → SIL → HIL, avec adaptation des modèles, réduction d’ordre, choix de solveurs à pas fixe et vérification de la génération de code.

Objectifs scientifiques détaillés
Le candidat ou la candidate aura pour missions principales de :
- Formaliser les cas d’usage HIL pour les architectures DC/DC du projet HYSYSPEM: pile unique, système deux stacks, architecture multi-stacks, charge représentative de mobilité lourde, fonctionnements sain et dégradé.
- Développer ou adapter les modèles temps réel des convertisseurs DC/DC retenus dans le projet, notamment les architectures TLBC, MTL2BC, ou cascade parallèle selon l’application visée (transport terrestre ou fluvial) selon la nomenclature HYSYSPEM, avec plusieurs niveaux de fidélité : modèle moyen, modèle commuté, modèle de défaut, modèle adapté CHIL.
- Intégrer les modèles de pile à combustible, batterie, bus DC et charge issus du jumeau numérique HYSYSPEM développé dans la tâche 5.1, en veillant à la compatibilité temps réel avec OPAL-RT et Typhoon HIL.
- Implémenter les lois de commande associées : régulation de courant pile, régulation de tension bus DC, équilibrage des courants de phase, équilibrage éventuel de tensions flottantes, limitation dynamique des sollicitations pile et coordination avec l’EMS.
- Valider les stratégies de diagnostic et de tolérance aux défauts : détection, isolation, reconfiguration, redistribution de puissance entre phases ou entre stacks, fonctionnement post-défaut et analyse des performances résiduelles.
- Construire une méthodologie de validation HIL reproductible, incluant scénarios de test, indicateurs de performance, critères de stabilité, contraintes temps réel, robustesse aux variations de charge et procédures de comparaison MIL/SIL/HIL.
- Publications des résultats de recherche dans une revue internationale avec impact factor
- Participation à la rédaction du document livrable pour le WP5.

Résultats attendus
À l’issue du post-doctorat, les résultats attendus sont :
- une plateforme HIL opérationnelle pour architectures DC/DC associées à des systèmes PEMFC hybrides ;
- une validation en boucle fermée des commandes de convertisseurs en fonctionnement sain ;
- une validation HIL de scénarios de défauts et de reconfiguration ;
- une méthodologie MIL/SIL/HIL transposable à différentes architectures du projet ;
- une contribution directe à la démonstration de la robustesse, de la disponibilité et de la continuité de service des systèmes PEMFC multi-stacks pour mobilité lourde ;
- une base expérimentale et méthodologique pour de futures validations PHIL ou bancs de puissance réduite.

Votre Profil

Compétences

Le candidat ou la candidate devra être titulaire d’un doctorat en génie électrique, électronique de puissance, automatique, systèmes embarqués ou énergie électrique.
Compétences et connaissances attendues :
- Electronique de puissance DC/DC ;
- Modélisation et commande de convertisseurs ;
- Simulation temps réel ;
- MATLAB/Simulink ;
- OPAL-RT, Typhoon HIL ou Speedgoat;
- Implantation temps réel sur DSP, FPGA ou MicroLabBox ;
- Commande robuste ou commande tolérante aux défauts ;
- Connaissances sur systèmes pile à combustible PEMFC appréciées ;
- Capacité à travailler dans un projet collaboratif national.

Votre Environnement de Travail

Les recherches effectuées lors du Post-Doctorat s’inscrivent plus spécifiquement dans la cadre d’une étroite collaboration entre les laboratoires IJL et Femto-st, deux des 8 laboratoires partenaires du projet HYSYSPEM. De plus, les travaux seront également menés en lien avec les autres partenaires du projet (CEA, IFPEN, LEMTA, AMPERE, IREENA).

Le travail de recherche sera majoritairement réalisé à Nancy au sein de l’IJL, avec des missions réalisées au sein du laboratoire FEMTO-ST, à Belfort. Ces missions ainsi que leurs durées seront planifiées selon les besoins expérimentaux de prototypage sur les cibles matérielles disponibles au laboratoire FEMTO-ST.

À propos de l’Institut Jean Lamour :
L’Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Lorraine. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
En 2026, l'IJL compte 243 permanents (34 chercheurs, 131 enseignants-chercheurs, 78 IT-BIATSS) et 389 non-permanents (146 doctorants, 43 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 200 stagiaires), de plus de 50 nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays.
Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.

A propos du laboratoire FEMTO-ST (partenaire du projet) :
L’Institut FEMTO-ST (Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies) est un laboratoire public de recherche pluridisciplinaire en sciences pour l’ingénieur et sciences de l’information. Il constitue une unité mixte de recherche (UMR 6174) placée sous la tutelle du CNRS, de l’Université Marie et Louis Pasteur (UMLP), de SUPMICROTECH et de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM). Il rassemble plus de 700 membres et mène des recherches fondamentales et appliquées dans plusieurs domaines couvrant notamment l’automatique, l’informatique, l’énergie, la mécanique, les micro- et nanosciences, l’optique ainsi que le temps-fréquence. Ses activités répondent à de grands enjeux scientifiques, technologiques et sociétaux, parmi lesquels l’énergie et le développement durable, les technologies pour la santé, les micro- et nanotechnologies, les sciences numériques et l’intelligence artificielle et les technologies quantiques. Les travaux conduits à FEMTO-ST vont de la modélisation et de la compréhension fondamentale des phénomènes jusqu’à la validation expérimentale, au développement technologique et au transfert vers l’industrie. L’Institut est implanté sur plusieurs sites en Bourgogne-Franche-Comté, notamment à Besançon, Belfort, Montbéliard et Sevenans.

Contraintes et risques

Le ou la candidate retenue pour ce post-doctorat devra travailler dans le contexte de systèmes de puissance. Il ou elle sera donc soumis(e) à respecter les règles en vigueur dans le cadre des risques électriques.

Rémunération et avantages

Rémunération

3.072 € brut mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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