Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage R. SAISSET, C. TURPIN, S. ASTIER

Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage Plan de l’exposé I- Fonction stockage dans les systèmes de conversion d’énergie II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études IV- Conclusion et bonus

A évaluer dans le système complet La génération décentralisée d’électricité et le stockage : un problème crucial pour de nombreux systèmes autonomes Energie massique Puissance massique 1 10 30 5 50 100 0,1 1000 kW/kg Wh/kg Li-ion NI-MH Ni-Cd Pb-Ac Super-condensateurs Roue d’inertie PAC Pile à combustible Essence : 10 000 Wh/kg Hydrogène : 30 000 Wh/kg Plan de Ragone Quelle disponibilité de l’énergie électrique au regard de la mission ? Plusieurs aspects : - autonomie - puissance - jauge d’énergie - durée de vie Des performances fortement dépendantes de l’utilisation A évaluer dans le système complet Ex : jauge systémique Des propriétés « temporelles » différentes

Système : complémentarité judicieuse des organes Véhicules multi sources hybrides Groupe Electrogène Moteurs Electriques Dynamique véhicule Rendements puits-roue : thermique : 15 % électrique pur : 21% hybride : 26 % Découplage gestion d’énergie Moteur thermique + alternateur Turbine à gaz + alternateur Pile à combustible Générateur photovoltaïque Stockage (Batterie + …) Système : complémentarité judicieuse des organes

Structure générale d’un véhicule hybride Dynamique du véhicule Nœud mécanique Réservoirs d’énergie mécanique Moteur thermique Nœud électrique Réservoirs d’énergie électrique Réservoirs d’énergie chimique Générateur électrique statique ou tournant Pile à combustible Générateur photovoltaïque Alternateur Moteur électrique Soleil Un système complexe, à concevoir en fonction des missions

Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage Plan de l’exposé I- Fonction stockage dans les systèmes II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études IV- Conclusion et bonus

Des composants électrochimiques aux caractères communs Cellules électrochimiques: deux électrodes imprégnées d’un électrolyte Accumulateur acide/plomb + Pile à combustible PEM Supercondensateur Accumulateur Li ions

Des composants électrochimiques aux caractères communs Communauté des phénomènes physico-chimiques oxydoréduction** Accumulateur Pile à combustible double couche* + oxydoréduction** Supercondensateur électrochimique Supercondensateur électrostatique phénomènes physiques majoritaires phénomènes physiques minoritaires double couche* * = effets électrostatiques **= effets faradiques électrolyte électrode réactions d ’oxydo-réduction activation (cinétique des réactions) diffusion pertes ohmiques effet double couche

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 E0 Energie dans la structure et l’environnement 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

- + O2 H2 Un exemple : pile à combustible H2 + 1/2 O2  H2O + chaleur + électricité Loi de Butler-Volmer Circuit électrique équivalent non linéaire H2 O2 H+ - Cathode Anode + Ra Rc Rel Ract,a Rconc,c Ract,c Rconc,a VC VA Cact,c Cact,a Ca,c Charge électrique Electrolyte Membrane Développement d’une représentation unifiée basée sur la représentation des échanges et conversions d’énergie en Bond Graph Une fem qui dépend de la réaction chimique

Chaleur D G0 = D H0 - T D S0 D G0 transférée à n F électrons Couplages électrochimiques La réaction chimique caractérisée par D H0 laisse une énergie libre à T et P Constants D G0 = D H0 - T D S0 Un potentiel thermodynamique exploité dans les Bond Graph électrochimiques D G0 transférée à n F électrons Chaleur E0  quelques volts (4V maxi) De même valeur qu’au niveau microscopique Mise en série, modularité, gestion des déséquilibres, des modèles adaptés, des convertisseurs adaptés

Représentation d’un lien Correspondance dans tous les domaines Modélisation en Bond-Graph Echanges d’énergies, interactions Causalité f (flux) e (effort) Représentation d’un lien Composant 1 Composant 2 Correspondance dans tous les domaines Effort (e) Flux (f) Electricité Tension (V) Courant (A) Mécanique Force (N) Vitesse (m/s) Rotation Couple (N.m) Vitesse angulaire (Rd/s) Hydraulique Pression (N/m²) Débit (m3/s) Thermique Température (K) Flux d’entropie Chimie Energie libre (J/mol) Débit molaire (mol/s)

Briques élémentaires d’un Bond Graph Causalité Filtre RLC :

Modèle de PAC domaine électrique Capacité de double couche Surtension activation cathodique Electrolyte Anode Cathode Loi de Butler-Volmer Fem Vers domaine chimique H+ Cathode Anode Ra Rc Rel Ract,a Rconc,c Ract,c Rconc,a VC VA Cact,c Cact,a Ca,c Electrolyte Membrane

Passage du domaine chimique au domaine électrique accumulateur au Li Ion Passage du domaine chimique au domaine électrique Sortie vers la charge Résistance de l’électrolyte Surtension d’activation

Un cycle de décharge et charge simulation et expérience Accumulateur Li Ion L’effet ohmique Les surtensions La relaxation de l’ion Li+ dans l’électrode et  l’électrolyte Un cycle de décharge et charge simulation et expérience

Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage Plan de l’exposé I- Fonction stockage dans les systèmes II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études IV- Conclusion et bonus

Pe = Ps + Psto + Pertes Pe Ps Energie stockée Psto, Wsto, Pertes Le stockage d’énergie : une fonction essentielle des systèmes Nœud de confluence des puissances électriques Pe Ps Pe = Ps + Psto + Pertes Energie stockée Psto, Wsto, Pertes Degré de liberté énergétique : découplage de Ps et Pe sur un horizon de temps DT0 qui dépend des qualités du stockage et de sa capacité énergétique

MOYENS EXPERIMENTAUX DISPONIBLES au LEEI une PAC PEM (20 cellules ; membranes en Nafion ; Pn = 200W ; Vn = 15V ; Imax = 25A) et son banc de test un banc de 6 supercondensateurs 2600F (Vcharge = 15V ; Imax = 500A) avec son système d’équilibrage 6 accumulateurs Li-Ions de puissance (Vcharge = 19.2V ; Imax = 100A)

Etude d’un groupe électrogène à pile à combustible Hacheur Onduleur PAC Utilisation HG Survolteur Hacheur HS Eléments de stockage Une étude générique pour de nombreux systèmes Evaluation des architectures en fonction des missions avec différents types stockages et d.d.l.

Fonctionnement de la pile à combustible « au fil de la consommation » Hacheur BOOST DC/DC Charge + - Point instable Courant Tension Puissance V pac I P charge

Fonctionnement de la pile à combustible à tension imposée Elément de stockage Charge + - DC/DC Bus continu contrôlé en tension Courant Tension V pac I Dispositif de stockage idéal à tension réglable indépendante de Wsto Pile à combustible Charge Source de courant

Fonctionnement de la pile à combustible à courant imposé Elément de stockage Charge + - DC/DC Bus contrôlé en courant Tension V Pile à combustible pac Source de tension Charge I Courant pac

Couplage direct PAC-Stockage Structure d’un groupe électrogène à stockage direct PAC Eléments de stockage Onduleur Survolteur L’élément de stockage est : soit un accumulateur soit un supercondensateur

Couplage direct PAC-Stockage L’élément de stockage permet de répondre à un fort appel de courant et impose le point de fonctionnement de la pile à combustible Courant [A] Tension [V] V1 V2 I1 I2 On observe une limitation naturelle de la charge de l’élément de stockage

Couplage direct PAC-Stockage Avantages : Pas convertisseur intermédiaire  Pas de gestion de l’énergie par la commande L’élément 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 l’énergie 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 l’élément de stockage se décharge trop Problème au démarrage des supercondensateurs, pas de précharge à courant limité.

Fonctionnement de la pile à courant imposé Stockage associé à un hacheur piloté en courant de sortie (bus) Onduleur PAC Hacheur Survolteur Eléments de stockage Survolteur 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 onduleur pac PAC Onduleur Survolteur + Charge I ondul ation Mesure de I onduleur Hacheur dévolteur Filtrage passe haut régulé en courant Mesure du courant Supercondensateur dans le hacheur Consigne Correcteur PI Comparateur

Fonctionnement de la pile à courant imposé

Fonctionnement de la pile à courant imposé Impact de charge

Fonctionnement de la pile à courant imposé Avantages: Tension de bus fixée par la pile quel que soit l’état de charge du stockage mais dépend de son point de fonctionnement. On peut recharger l‘élément de stockage grâce à la pile à combustible ou par un retour d’énergie de la source. On maîtrise les échanges d’énergie en réalisant une régulation en courant Inconvénients: Hacheur dimensionné pour toute la puissance de l’élément de stockage. Si la tension de pile est trop faible : fort coefficient de survoltage de l’onduleur BOOST. L’onduleur survolteur qui fixe le courant de la pile : danger, il faut un filtrage du courant très performant, car l’onduleur monophasé demande une puissance fluctuante (composante du courant à 100Hz) très important.

<P_entrée> = <P_sortie> Fonctionnement de la pile à tension imposée Fonctionnement de la pile à tension imposée Stockage associé à un hacheur piloté en tension de sortie (bus) Onduleur Survolteur PAC Hacheur Survolteur Eléments de stockage La pile fournit la puissance moyenne demandée par la charge grâce à une régulation cascade de puissance assurant : <P_entrée> = <P_sortie>

Fonctionnement de la pile à tension imposée - 1 Lref I mes e V L + PI c o cref > < pac P sortie Ve moyen

Fonctionnement de la pile à tension imposée

Fonctionnement de la pile à tension imposée Prise en compte des pertes Avec cette simple gestion, l’élément de stockage se décharge en raison des pertes internes au stockage qu’il faut compenser.

Fonctionnement de la pile à tension imposée > < pac P Supercapa V PI 2 1 CV ref E - + cref sortie On compense les pertes afin de contrôler la charge de l’élément de stockage.

Fonctionnement de la pile à tension imposée Avantages : La tension de bus est quasiment fixe grâce au hacheur. Bonne gestion de l’énergie de stockage. On arrive à utiliser 92% de l’énergie Pour l’onduleur 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 l’onduleur dues à un fort coefficient de survoltage peuvent être importantes, si l’on veut une tension de sortie de 127V La gestion de l’énergie est un peu complexe.

Essais avec batterie au plomb fonctionnement contrôlé à tension

Essais avec batterie au plomb fonctionnement contrôlé à tension

Accumulateur Supercondensateur Filtrage actif « Filtrage actif » et gestion d’énergie Ex : Hybridation de composants de stockage accumulateur + supercondensateur Accumulateur Supercondensateur Lissage de la puissance vue par la batterie d’accumulateurs Filtrage actif

« Filtrage actif » et gestion d’énergie Analyse fréquentielle des missions Amélioration : - contraintes sur batterie - autonomie du système Avec supercondensateur Sans supercondensateur C(A.h) t(s) 50 min Missions INRETS Fréquence de coupure  dimensionnement, gestion d’énergie Un indicateur pertinent extrait de la mission Formulation « filtrage » résout gestion temps réel du stockage court

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 d’énergie (BG) permet des études comparatives système efficace

Modèle global d’un véhicule électrique solaire GMP GPV STO LI-ION Noeud Solelhada

Exploitationdu modèle global Stratégie de course Véhicule au départ Deux stratégies de course : Au fil du soleil A vitesse constante puis recharge des batteries face au soleil

Exploitation du modèle global Temps de parcours de 40 km Temps de recharge en inclinant le panneau vers le soleil Temps total A vitesse constante 60 km/h 2404 s 1100 s 3504 s Inclinaison 20° 3113 s 3113 s Au fil du soleil 0 s A vitesse constante 60 km/h 2434 s 1880 s 4314 s Inclinaison 50° 4450 s 0 s 4450 s Au fil du soleil