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Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier.

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1 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 1 Modèles de composants électrochimiques de stockage pour les systèmes de production dénergie décentralisée Christophe TURPIN, Rémi SAISSET, Stéphan ASTIER Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS

2 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 2 A) Objectifs de la modélisation B) Phénomènes modélisés C) Modèles semi-physiques Bond Graph Analogie électrique D) Validation et exploitation Exploitation des modèles Identification des paramètres E) Conclusions Plan de la présentation

3 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 3 Plusieurs types de modèles: Modèles empiriques : modélisation des lois externes facilité de mise en œuvre vue globale du fonctionnement Modèles semi-physiques : physique dun point de vue macroscopique plus difficile à mettre en œuvre bon compromis Modèles physiques : modèles fins pour loptimisation interne des constituants (choix des matériaux, épaisseur des électrodes…) compréhension fine des phénomènes physiques généralement lourds et gourmands en temps de calcul A) Objectifs de la modélisation

4 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 4 Deux projets internes au LEEI : véhicule solaire groupe électrogène à pile à combustible 1kW étude des interactions générateur électrochimique (PAC) / convertisseur statique modéliser des systèmes hétérogènes et complexes modèles interconnectables choix de la représentation et de loutil de simulation modèles cohérents/objectifs pour avoir une étude cohérente constantes de temps des différents phénomènes physiques/horizon de simulation A) Objectifs de la modélisation

5 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 5 Pour un générateur électrochimique, plusieurs domaines de la physique sont sollicités : Gestion des combustibles Thermique, flux de chaleur Chimie, réactions Electricité, chutes de tension Utilisation charge constantes de temps propres à chaque domaine réaction chimique CVSvannes compresseur refroidissement réformeur µsmssmin pour une PAC : A) Objectifs de la modélisation

6 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 6 Potentiel théorique dun générateur électrochimique (phénomènes thermochimiques ) E th est le potentiel thermodynamique (réversible) théorique qui traduit la transformation de lénergie chimique en énergie électrique E th = tension maximale et théorique dun générateur électrochimique G : énergie libre de réaction n : nombre de moles échangées dans la réaction F : constante de Faraday C.mol -1 Energie chimique Energie électrique Chaleur de réaction B) Phénomènes physico-chimiques modélisés

7 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 7 potentiel théorique jamais atteint dans la pratique à cause des pertes (ou irréversibilités) chutes de tension ou « surtensions » phénomènes dactivation, de concentration (ou diffusion) et ohmiques. espèce en solution : activité concentration [C] gaz : activité pression partielle P solide : activité = 1. B) Phénomènes physico-chimiques modélisés E th fonction de T et de P (équation de Nernst) : Potentiel théorique dun générateur électrochimique (phénomènes thermochimiques )

8 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 8 Exemple 1 : pile à combustible PEM Exemple 2 : accumulateur acide/ plomb avec n = 2 et T = 298 K B) Phénomènes physico-chimiques modélisés Potentiel théorique dun générateur électrochimique (phénomènes thermochimiques )

9 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 9 Potentiel théorique Tension V Densité de courant en A/cm² 1.23V 0.7 V 0.6 A/cm² Courbe statique V(I) pour une PAC à (P, T, hydratation,… fixées) Activation côté anode Activation côté cathode Activation Pertes ohmiques Partie quasi linéaire Limitation par diffusion et noyage B) Phénomènes physico-chimiques modélisés

10 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 10 B) Phénomènes physico-chimiques modélisés Modélisation de la courbe statique : Modélisation dynamique

11 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 11 les « surtensions » dactivation act,a ou c traduisent de façon simplifiée les lois de la cinétique des réactions chimiques. calculées, pour chacune des électrodes, à partir de léquation de Butler-Volmer : Avec : i° a+, i° c+, i° a- et i° c-, : densités de courant dactivation ou déchange a+, c+, a- et c-, : coefficients de transfert de charge de la réaction n a et n c : nombres de moles échangées F : constante de Faraday I + = 0 I - = 0 I B) Phénomènes physico-chimiques modélisés Surtension dactivation (phénomènes électrochimiques)

12 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 12 modification des concentrations des réactifs et des produits au cours de la réaction modification du potentiel de lélectrode (loi de Nernst) : B) Phénomènes physico-chimiques modélisés Surtension de diffusion (ou de concentration) phénomènes de diffusion au cours de la réaction diminution des concentrations des réactifs à la traversée des électrodes et/ ou de lélectrolyte modification du potentiel de lélectrode (loi de Nernst)

13 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 13 Accumulateur chargé Quantité de Lithium dans lélectrode Accumulateur en décharge Transfert du lithium dune électrode vers lautre Li + 2 ème cas : accumulateur Li-Ion diffusion dans les électrodes poreuses et dans lélectrolyte B) Phénomènes physico-chimiques modélisés 1 er cas : accumulateur acide/ plomb électrolyte participe à la réaction diffusion au contact des électrodes et dans lélectrolyte Surtension de diffusion (ou de concentration)

14 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 14 Site de réaction Electrode Couche de diffusion Conduite de gaz CFCF CICI X=0 X= B) Phénomènes physico-chimiques modélisés 3 ème cas : pile à combustible couche de diffusion entre lélectrode et les canaux de distribution des gaz. Surtension de diffusion (ou de concentration)

15 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 15 La mise en contact de lélectrolyte et de lélectrode, provoque lapparition dune capacité de double couche. difficile à calculer théoriquement (épaisseur de la couche ionique au voisinage de lélectrode) Electrode Electrolyte Potentiel B) Phénomènes physico-chimiques modélisés Capacité de double couche

16 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 16 au niveau de lélectrolyte : transfert des charges (ions) conductivité spécifique de lélectrolyte chute de tension ohmique Phénomènes ohmiques B) Phénomènes physico-chimiques modélisés au niveau de la connectique : plaques bipolaires (pile à combustible) bornes de puissance …

17 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 17 conduction convection rayonnement Plusieurs types déchanges : Phénomènes thermiques pertes de réactions pertes dans lélectrolyte pertes de surtension Plusieurs types de sources de chaleur : B) Phénomènes physico-chimiques modélisés

18 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 18 phénomènes physico-chimiques traduits par des équivalences électriques (R, C, …) modèle grand signal du générateur électrochimique résistances non linéaires modèle petit signal du générateur électrochimique résistances linéaires Analogie électrique C) Modèles semi-physiques

19 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 19 R connexion AnodeCathode R électolyte Electrolyte V1V1 R diffusion R activation C double couche V2V2 R activation R diffusion prise en compte de létat de charge pour le calcul de V1 et V2 C) Modèles semi-physiques Accumulateur : Analogie électrique

20 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 20 H2H2 O2O2 H+H+ - Cathode Anode + RaRa RcRc R el R act,a R conc,c R act,c R conc,a VCVC VAVA C act, c C act,a C a,c Charge Electrolyte Membrane Pile à combustible PEM : C) Modèles semi-physiques Analogie électrique

21 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 21 Avantages : Inconvénients : interprétables plus facilement par la communauté du Génie Electrique facilement intégrables dans des logiciels de type circuit facilement interconnectables avec des charges électriques détermination des paramètres éloignement par rapport à la réalité des phénomènes physiques dans leur représentation (surtout la réaction chimique) C) Modèles semi-physiques Analogie électrique

22 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 22 Correspondances dans différents domaines Effort (e)Flux (f) ElectricitéTension (V)Courant (A) MécaniqueForce (N)Vitesse (m/s) RotationCouple (N.m)Vitesse angulaire (Rd/s) HydrauliquePression (N/m²)Débit (m3/s) ThermiqueTempérature (K)Flux dentropie ChimieEnergie libre (J/mol)Débit molaire (mol/s) f e Composant 1Composant 2 C) Modèles semi-physiques Représentation Bond Graph

23 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 23 Modèle de lanode dune pile à combustible SO Fixe la pression de gaz Fixe le débit de gaz Loi de Nernst Hydraulique / Chimique C) Modèles semi-physiques Représentation Bond Graph

24 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 24 Passage hydraulique/chimique C) Modèles semi-physiques Représentation Bond Graph

25 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 25 Vers thermique Vers électrique Anode Cathode Association des deux électrodes dune pile à combustible SO : C) Modèles semi-physiques Représentation Bond Graph

26 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 26 conservation de la puissance C) Modèles semi-physiques Passage chimique/électrique Représentation Bond Graph

27 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 27 Capacité de double couche Surtension activation cathodique Electrolyte Anode Cathode Partie électrique dune PAC C) Modèles semi-physiques Représentation Bond Graph

28 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 28 Conduction Plaque bipolaire Anode Sources de puissance Convection et rayonnement longitudinaux Convection et rayonnement transversaux Conduction Plaque bipolaire Anode Convection et rayonnement longitudinaux C) Modèles semi-physiques Partie thermique dune pile à combustible PEM Représentation Bond Graph

29 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 29 Calcul de H et de S Circuit de relaxation Capacité chimique représentant la quantité de lithium dans lélectrode. Coefficients stœchiométriques Résistancemodélisant levieillissement Partie chimique dun accumulateur Li ION C) Modèles semi-physiques Représentation Bond Graph

30 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 30 Passage du domaine chimique au domaine électrique Sortie vers la charge Surtension dactivation Résistance de lélectrolyte C) Modèles semi-physiques Partie électrique dun accumulateur Li ION Représentation Bond Graph

31 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 31 D) Validation et exploitation banc de test dune pile à combustible PEM [20 cellules - 200W (400W crête)] banc de test daccumulateurs acide/plomb et Li-ion banc de test de supercondensateurs

32 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 32 caractéristique statique U(I) différentes parties de la courbe = différents phénomènes physico-chimiques échelons de courant (interruptions du courant…) essais thermiques spectroscopie dimpédance paramètres de la littérature paramètres calculés à partir de données géométriques du générateur (PAC) Identification des paramètres D) Validation et exploitation

33 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 33 D) Validation et exploitation Identification des paramètres (caractéristique statique)

34 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 34 D) Validation et exploitation Identification des paramètres (spectroscopie dimpédance)

35 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 35 temps « courts » D) Validation et exploitation Identification des paramètres (échelon de courant)

36 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 36 D) Validation et exploitation Identification des paramètres (échelon de courant) temps « longs »

37 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 37 Température en °C Temps en secondes ---- Simulation ---- Expérience 123 Températures simulées et mesurées en convection naturelle (1 et 3) et sous ventilation forcée (2). D) Validation et exploitation Identification des paramètres (échelon de courant / réponse en température dune PAC PEM)

38 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 38 Inversion de la tension d une cellule D) Validation et exploitation Résultats expérimentaux : dispersion des tensions des différentes cellules dune PAC PEM

39 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 39 D) Validation et exploitation Résultats expérimentaux / modèle : charge et décharge dun accumulateur Li-ion

40 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 40 D) Validation et exploitation Résultats expérimentaux : dispersion en tension dans un pack de 6 accumulateurs Li-ion

41 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS courant en mA/cm² tension mV température 750°C température 950°C D) Validation et exploitation Exploitation des modèles : étude en simulation dune pile à combustible SO (haute température) Courbe statique en fonction de la température dune pile à combustible SO

42 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 42 Répartition de la température dans un groupement série de 7 cellules de type SO D) Validation et exploitation Exploitation des modèles : étude en simulation dune pile à combustible SO (haute température)

43 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 43 Accumulateur LI-ION D) Validation et exploitation Exploitation des modèles : modèle global dun véhicule électrique (solaire)

44 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe TURPIN Christophe, SAÏSSET Rémi, Astier Stéphan Toulouse, Toulouse, 27 et 28 janvier 2003 GDR ME2MS 44 modélisation/ objectifs générateurs électrochimiques : plusieurs types mais toujours les mêmes phénomènes physico-chimiques généralisation de la modélisation le formalisme Bond Graph facilite linterconnexion des modèles. E) Conclusions


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