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Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 2003.

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1 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS Gestion dénergie dans un système électrique avec stockage R. SAISSET, C. TURPIN, S. ASTIER

2 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS I- Fonction stockage dans les systèmes de conversion dénergie II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études IV- Conclusion et bonus Gestion dénergie dans un système électrique avec stockage Plan de lexposé

3 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS La génération décentralisée délectricité et le stockage : un problème crucial pour de nombreux systèmes autonomes Plusieurs aspects : - autonomie - puissance - jauge dénergie - durée de vie Energie massique Puissance massique , kW/kg Wh/kg Li-ion NI-MH Ni-Cd Pb-Ac Super-condensateurs Roue dinertie PAC Pile à combustible Essence : Wh/kg Hydrogène : Wh/kg Plan de Ragone Des propriétés « temporelles » différentes Quelle disponibilité de lénergie électrique au regard de la mission ? Des performances fortement dépendantes de lutilisation A évaluer dans le système complet Ex : jauge systémique

4 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Véhicules multi sources hybrides Groupe Electrogène Stockage (Batterie + …) Moteurs Electriques Dynamique véhicule Rendements puits-roue : thermique : 15 % électrique pur : 21% hybride : 26 % Découplage gestion dénergie Moteur thermique + alternateur Turbine à gaz + alternateur Pile à combustible Générateur photovoltaïque Système : complémentarité judicieuse des organes

5 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Structure générale dun véhicule hybride Dynamique du véhicule Nœud mécanique Réservoirs dénergie mécanique Moteur thermique Nœud électrique Réservoirs dénergie électrique Réservoirs dénergie chimique Générateur électrique statique ou tournant Pile à combustible Générateur photovoltaïque Alternateur Moteur électrique Soleil Un système complexe, à concevoir en fonction des missions

6 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS I- Fonction stockage dans les systèmes II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études IV- Conclusion et bonus Gestion dénergie dans un système électrique avec stockage Plan de lexposé

7 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Pile à combustible PEM Accumulateur acide/plomb Supercondensateur Accumulateur Li ions Des composants électrochimiques aux caractères communs Cellules électrochimiques: deux électrodes imprégnées dun électrolyte

8 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Communauté des phénomènes physico-chimiques réactions d oxydo-réduction activation (cinétique des réactions) diffusion pertes ohmiques effet double couche oxydoréduction** Accumulateur Pile à combustible double couche* + oxydoréduction** Supercondensateur électrochimique Supercondensateur électrostatique phénomènes physiques majoritaires phénomènes physiques minoritaires double couche*oxydoréduction** * = effets électrostatiques **= effets faradiques double couche* électrolyte électrode Des composants électrochimiques aux caractères communs

9 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Des composants électrochimiques variés aux propriétés différentes pour le système Les accumulateurs Les supercondensateurs Les piles métal air Energie dans la structure sans modification Energie et puissance massique et volumique couplées Fem E 0 Energie dans la structure Energie dans la structure et lenvironnement Fem E 0 Modification structurelle sauf pour Li-Ion (insertion) Consommation matière électrode Réversible en puissance reversible irreversible Les piles à combustible Les accumulateurs redox flow Découplage énergie (volume réservoir) - puissance (surface) Energie en réservoirs réversible irréversible Hybridations possibles

10 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Un exemple : pile à combustible H 2 + 1/2 O 2 H 2 O + chaleur + électricité 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 électrique Electrolyte Membrane Une fem qui dépend de la réaction chimique Loi de Butler-Volmer Circuit électrique équivalent non linéaire Développement dune représentation unifiée basée sur la représentation des échanges et conversions dénergie en Bond Graph

11 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS La réaction chimique caractérisée par H 0 laisse une énergie libre à T et P Constants G 0 = H 0 - T S 0 G 0 transférée à n F électrons E 0 quelques volts (4V maxi) De même valeur quau niveau microscopique Mise en série, modularité, gestion des déséquilibres, des modèles adaptés, des convertisseurs adaptés Couplages électrochimiques Chaleur Un potentiel thermodynamique exploité dans les Bond Graph électrochimiques

12 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Correspondance dans tous les 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) Echanges dénergies, interactions Composant 1Composant 2 Causalité f (flux) e (effort) Représentation dun lien Modélisation en Bond-Graph

13 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Briques élémentaires dun Bond Graph Causalité Filtre RLC :

14 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Capacité de double couche Surtension activation cathodique Electrolyte Anode Cathode Loi de Butler-Volmer Fem Vers domaine chimique Modèle de PAC domaine électrique H+H+ Cathode Anode RaRa RcRc R el R act,a R conc,c R act,c R conc,a VCVC VAVA C a ct,c C act,a C a,c Electrolyte Membrane

15 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS accumulateur au Li Ion Passage du domaine chimique au domaine électrique Sortie vers la charge Surtension dactivation Résistance de lélectrolyte

16 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Accumulateur Li Ion Leffet ohmique Les surtensions La relaxation de lion Li+ dans lélectrode et lélectrolyte Un cycle de décharge et charge simulation et expérience

17 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS I- Fonction stockage dans les systèmes II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études IV- Conclusion et bonus Gestion dénergie dans un système électrique avec stockage Plan de lexposé

18 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Pe Psto, Wsto, Pertes Ps Le stockage dénergie : une fonction essentielle des systèmes Pe = Ps + Psto + Pertes Degré de liberté énergétique : découplage de Ps et Pe sur un horizon de temps T 0 qui dépend des qualités du stockage et de sa capacité énergétique Energie stockée Nœud de confluence des puissances électriques

19 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS MOYENS EXPERIMENTAUX DISPONIBLES au LEEI une PAC PEM (20 cellules ; membranes en Nafion ; P n = 200W ; V n = 15V ; I max = 25A) et son banc de test un banc de 6 supercondensateurs 2600F (V charge = 15V ; I max = 500A) avec son système déquilibrage 6 accumulateurs Li-Ions de puissance (V charge = 19.2V ; I max = 100A)

20 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Etude dun groupe électrogène à pile à combustible PAC Onduleur Survolteur Hacheur HG Une étude générique pour de nombreux systèmes Evaluation des architectures en fonction des missions avec différents types stockages et d.d.l. Utilisation Hacheur HS Eléments de stockage

21 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Point instable Courant Tension Puissance V pac I P charge Hacheur BOOST DC/DC Charge + - Fonctionnement de la pile à combustible « au fil de la consommation »

22 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Dispositif de stockage idéal à tension réglable indépendante de Wsto Courant Tension V pac I Elément de stockage Charge + - DC/DC Bus continu contrôlé en tension Charge Pile à combustible Source de courant Fonctionnement de la pile à combustible à tension imposée

23 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Courant Tension V pac I Elément de stockage Charge + - DC/DC Bus contrôlé en courant Charge Pile à combustible Source de tension Fonctionnement de la pile à combustible à courant imposé

24 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS PAC Eléments de stockage Onduleur Survolteur Structure dun groupe électrogène à stockage direct Lélément de stockage est : soit un accumulateur soit un supercondensateur Couplage direct PAC-Stockage

25 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Courant [A] Tension [V] V1 V2 I1 I2 On observe une limitation naturelle de la charge de lélément de stockage Lélément de stockage permet de répondre à un fort appel de courant et impose le point de fonctionnement de la pile à combustible Couplage direct PAC-Stockage

26 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Avantages : Pas convertisseur intermédiaire Pas de gestion de lénergie par la commande Lélément de stockage fournit les pics de puissance en sortie Inconvénients : La tension du bus continu dépend du courant, donc de la puissance de sortie. Pas de gestion de lénergie par la commande. La gestion se fait lors du dimensionnement des composants. Le groupe électrogène est difficilement polyvalent. Risque de destruction de la PAC si lélément de stockage se décharge trop Problème au démarrage des supercondensateurs, pas de précharge à courant limité. Couplage direct PAC-Stockage

27 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS PAC Onduleur Survolteur Hacheur Survolteur Eléments de stockage Stockage associé à un hacheur piloté en courant de sortie (bus) Le hacheur pilote directement le régime de charge ou de décharge du stockage de façon que la pile fournisse la puissance moyenne Fonctionnement de la pile à courant imposé

28 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS PAC Hacheurdévolteur régulé en courant Supercondensateur Onduleur Survolteur + Charge I onduleur I pac I ondulation Mesure deI onduleur Filtrage passe haut Mesure du courant dans le hacheur Correcteur PIComparateur Consigne Fonctionnement de la pile à courant imposé

29 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Fonctionnement de la pile à courant imposé

30 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Impact de charge Fonctionnement de la pile à courant imposé

31 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Avantages: Tension de bus fixée par la pile quel que soit létat de charge du stockage mais dépend de son point de fonctionnement. On peut recharger lélément de stockage grâce à la pile à combustible ou par un retour dénergie de la source. On maîtrise les échanges dénergie en réalisant une régulation en courant Inconvénients: Hacheur dimensionné pour toute la puissance de lélément de stockage. Si la tension de pile est trop faible : fort coefficient de survoltage de londuleur BOOST. Londuleur survolteur qui fixe le courant de la pile : danger, il faut un filtrage du courant très performant, car londuleur monophasé demande une puissance fluctuante (composante du courant à 100Hz) très important. Fonctionnement de la pile à courant imposé

32 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS PAC Onduleur Survolteur Hacheur Survolteur Eléments de stockage Fonctionnement de la pile à tension imposée Stockage associé à un hacheur piloté en tension de sortie (bus) La pile fournit la puissance moyenne demandée par la charge grâce à une régulation cascade de puissance assurant : = Fonctionnement de la pile à tension imposée

33 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Fonctionnement de la pile à tension imposée

34 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Fonctionnement de la pile à tension imposée

35 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Avec cette simple gestion, lélément de stockage se décharge en raison des pertes internes au stockage quil faut compenser. Prise en compte des pertes Fonctionnement de la pile à tension imposée

36 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS pac P Supercapa V PI Supercapa CV ref E - + cref V sortie P PI - + On compense les pertes afin de contrôler la charge de lélément de stockage. Fonctionnement de la pile à tension imposée

37 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Avantages : La tension de bus est quasiment fixe grâce au hacheur. Bonne gestion de lénergie de stockage. On arrive à utiliser 92% de lénergie Pour londuleur la tension de bus est fixe pour une puissance donnée. Inconvénients : Supercapacités : il faut les précharger en utilisant le hacheur en dévolteur contrôlé en courant. Ce problème ne se pose pas pour les accumulateurs. Pas de contrôle du courant dans la pile, pas de protection en cas de décharge trop profonde des éléments de stockage. Les pertes dans londuleur dues à un fort coefficient de survoltage peuvent être importantes, si lon veut une tension de sortie de 127V La gestion de lénergie est un peu complexe. Fonctionnement de la pile à tension imposée

38 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Essais avec batterie au plomb fonctionnement contrôlé à tension

39 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Essais avec batterie au plomb fonctionnement contrôlé à tension

40 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS « Filtrage actif » et gestion dénergie Ex : Hybridation de composants de stockage accumulateur + supercondensateur Accumulateur Supercondensateur Lissage de la puissance vue par la batterie daccumulateurs Filtrage actif

41 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS « Filtrage actif » et gestion dénergie Formulation « filtrage » résout gestion temps réel du stockage court Amélioration : - contraintes sur batterie - autonomie du système Avec supercondensateur Sans supercondensateur C(A.h) t(s) 50 min Missions INRETS Analyse fréquentielle des missions Fréquence de coupure dimensionnement, gestion dénergie Un indicateur pertinent extrait de la mission

42 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Conclusion La pile autorise plusieurs modes de fonctionnement dans des architectures variées à comparer suivant les besoins. Le fonctionnement à tension imposée par un stockage piloté apparaît prometteur. La formulation en termes de filtrage actif résout la gestion (reconditionnement) du stockage (rapide). Des validations expérimentales sont en cours. La modélisation basée sur la représentation des conversions dénergie (BG) permet des études comparatives système efficace

43 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Modèle global dun véhicule électrique solaire STO LI-ION GMP GPV Solelhada Noeud

44 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Véhicule au départ Deux stratégies de course : Au fil du soleil A vitesse constante puis recharge des batteries face au soleil Stratégie de course Exploitationdu modèle global

45 Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct GDR ME2MS Inclinaison 50° Inclinaison 20° Temps de parcours de 40 km A vitesse constante 60 km/h Au fil du soleil A vitesse constante 60 km/h Au fil du soleil Temps de recharge en inclinant le panneau vers le soleil Temps total 2404 s 3113 s 2434 s 4450 s 1100 s 0 s 1880 s 0 s 4314 s 4450 s 3113 s 3504 s Exploitation du modèle global


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