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« Dimensionnement et lois de gestion de différentes
technologies de stockage »
CEA | 10 AVRIL 2012
Arnaud DELAILLE | CEA
Séminaire ASPROM « Stockage d’énergie : quelles technologies ? Pour quelles applications ? Pour quand ? » – 03/112/2013
SOMMAIRE
| PAGE 2A.Delaille – 03/112/2013
• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS
• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion
• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC
• Conclusions
SOMMAIRE
| PAGE 3
• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS
• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion
• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC
• Conclusions
L’INES ET LE CEA
| PAGE 4
� Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA-LITEN)
� Centre National de la Recherche Scientifique
� Centre Scientifique et Technique du Bâtiment
� Université de Savoie
= + + +
LE CEA-LITEN ET LE STCOKAGE BATTERIES
| PAGE 5
Laboratoire de caractérisation et développement de matériaux pour batteries Li-ion
Laboratoire de conception et de prototypage d’éléments Li-ion
Laboratoire de caractérisations et développement d’algorithmes de gestion de toutes batteries
Laboratoire de conception et intégration de packs batteries Li-ion
Laboratoire de conception de lignes d’assemblage de packs batteries
CEA-INES
CEA-Grenoble
PARMI LES OBJECTIFS DU LABORATOIRE SUR INES
| PAGE 6
Quelle technologie / référence de batteries pour telle ou telle application ?
PARMI LES OBJECTIFS DU LABORATOIRE SUR INES
| PAGE 7
Quelle technologie / référence de batteries pour telle ou telle application ?
Quel dimensionnement / quelle gestion optimale pour la batterie retenue ?
Profils d’usagePerformances instantanées
Performances en endurance
SOMMAIRE
| PAGE 8
• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS
• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion
• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC
• Conclusions
BATTERY MANAGEM ENT SYSTEM (BMS)
Principaux objectifs d’un BMS
| PAGE 9
Assurer la sécurité (non négociable !)
Garantir les performances initiales
(autonomies, puissances, rendements, …)
Garantir les performances en endurance
(cyclage / calendaire, coût d’usage…)
Apporter de l’information
(estimateurs SOX � utilisateurs et/ou EMS…)
Nécessité du BMS au travers de l’actualité récente
| PAGE 10
Assurer la sécurité :
exemple du problème rencontré par plusieurs Boeing Dreamliner en 2013
http://my.pressindex.com/View.aspx
Effet délétère sur la confiance des marchés !
BATTERY MANAGEM ENT SYSTEM (BMS)
Lois de gestion à différentes échelles de temps
| PAGE 11
ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS)
Tps réel (sec.) Ajustement (heures) Prévision (jours) Prévision (mois)
Lois de gestion à différentes échelles de temps
| PAGE 12
ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS)
Tps réel (sec.) Ajustement (heures) Prévision (jours) Prévision (mois)
Différents algorithmes de gestion reposant sur :
- des modèles batteries de performances instantanées- des modèles batteries de performances en endurance- des modèles des autres composants systèmes (production PV, tarif réseau, …)
Nécessité de l’EMS au travers de l’actualité récente
| PAGE 13
Garantir les performances en endurance :
exemple du problème rencontré par Nissan en 2013
ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS)
Un collectif d’utilisateurs a intenté un procès en Californie contre Nissan suite à une perte d’autonomie de l’ordre de 30% après un à deux ans d’utilisation,contre une perte annoncée par Nissan de 20% après cinq ans d'utilisation.
(cas d’un usage à des températures extrêmes de l'Arizona / Californie...)
http://www.voitureelectrique.net/nissan-leaf-action-collective-sur-la-batterie-aux-etats-unis-4316
Effet délétère sur la confiance des marchés !
SOMMAIRE
| PAGE 14
• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS
• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemples d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion
• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC
• Conclusions
PERFORMANCES INITIALES DES BATTERIES
Comparaison inter-technologies
| PAGE 15
J. M. Tarascon and M. Armand, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.,” Nature, vol. 414, no. 6861, pp. 359–67, Nov. 2001.
PERFORMANCES INITIALES DES BATTERIES
Comparaison inter-technologies Li-ion
| PAGE 16Données mesurées au CEA sur un panel de plus de 50 réf érences Li-ion
À l’échelle cellule, à C/2 et 25°C
Résultats CEA
Parameters Values
Performances
P charge nominale 15-80%
SOC10 kW
Nominal energy 100 kWh
Voltage outputAC voltage 400 VAC
DC voltage range 36VDC - 62VDC
EfficiencyRound trip DC
efficiency70-80%
Self dischargeWithin cells 0.07 kW
Within tank Not significant
Mass and size
Size (mm) 4500*2200*2403
Empty mass 3500 kg
Mass with electrolyte
10300 kg
EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM
Spécifications du constructeur
| PAGE 17
Parameters Values
Performances
P charge nominale 15-80%
SOC10 kW
Nominal energy 100 kWh
Voltage outputAC voltage 400 VAC
DC voltage range 36VDC - 62VDC
EfficiencyRound trip DC
efficiency70-80%
Self dischargeWithin cells 0.07 kW
Within tank Not significant
Mass and size
Size (mm) 4500*2200*2403
Empty mass 3500 kg
Mass with electrolyte
10300 kg
EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM
Spécifications du constructeur
Les spécifications constructeur ne sont pas assez précises pour assurer
un dimensionnement optimal…
| PAGE 18
Rendement de 70-80% ?
EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM
Performances mesurées au CEA-INES
10kW ?
Puissance disponible en charge / décharge
En charge
En décharge
Rendement en charge / décharge
En déchargeEn charge
| PAGE 19
Résultats CEA Résultats CEA
Rendement de 75% ?
EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM
Performances mesurées au CEA-INES
10kW ?
Puissance disponible en charge / décharge
En charge
En décharge
Rendement en charge / décharge
En déchargeEn charge
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
200
400
600
800
1000
1200
1400
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
EffCap
TR
I
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
TRI
Capacity( kWh) Efficiency
Ces performances réelles ont une incidence direct sur la rentabilité du système…
| PAGE 20
Résultats CEA
EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION
Spécifications du constructeur
| PAGE 21
EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION
Capacité disponible
Performances mesurées au CEA-INES
| PAGE 22
EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION
Capacité disponible
Puissance requise pour l’application selon le dimensionnement initial
Performances mesurées au CEA-INES
Puissance disponible
0 10 20 30 40 50-10Température (°C)
| PAGE 23
EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION
Impact de la tension basse de coupure sur la capaci té disponible
Performances mesurées au CEA-INES
Aide au dimensionnement / choix des critères de gestion| PAGE 24
Résultats CEA
Résultats CEA
SOMMAIRE
| PAGE 25
• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS
• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion
• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC
• Conclusions
PERFORMANCES EN ENDURANCE
| PAGE 26
En cyclage(= mode conduite d’un véhciule)
En calendaire (= mode parking d’un véhicule)
Vieillissement des accumulateurs Li-ion
PERFORMANCES EN ENDURANCE
Vieillissement des accumulateurs Li-ion
| PAGE 27Données mesurées au CEA
En cyclage En calendaire
Résultats CEA
Résultats CEA
EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE
Vieillissement calendaire
Développement de modèles semi-empiriques
0 100 200 300 400 500 600 700 80030
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Storage time (days)
SO
H (%
)
T25_SOC30T25_SOC65T25_SOC100
0 100 200 300 400 500 600 700 80030
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Storage time (days)
SO
H (%
)
T60_SOC30T60_SOC65T60_SOC100
| PAGE 28
Etude de l’influence de T et SOC de stockage sur la durée de vie
Cas d’étude de simulation : température ambiante de 3 villes américaines
40
0 100 200 3005
10
15
20
25
<Tamb
>
San Francisco, CA
time / days
Am
bia
nt te
mp
era
ture
/°C
0 100 200 3000
10
20
30
40
50
<Tamb
>
Phoenix, AZ
time / days0 100 200 300
15
20
25
30
35
40
<Tamb
>
Miami, FL
time / days
time / days
• Profils annuels de température• Données issues de la base de l’American National
Climatic Data Center• Chaque point est une moyenne sur 30 ans (1981-2010)• 1 point / heur
| PAGE 29
EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE
Etude de l’influence de T et SOC de stockage sur la durée de vie
Cas d’étude de simulation : gestion thermique et/ou du SOC haut
« Thermal management » « SOC management »
Strategy #1 No (T=Tamb) No (SOC=100%)
Strategy #2 No (T=Tamb) Yes (SOC=80%)
Strategy #3 Yes (T≤30°C) No (SOC=100%)
Strategy #4 Yes (T≤30°C) Yes (SOC=80%)
| PAGE 30
EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE
Etude de l’influence de T et SOC de stockage sur la durée de vie
1 2 30
2
4
6
8
10
12
San Francisco Phoenix Miami
Ca
pa
city
loss
@ 5
yea
rs/%
LiFeBATT 15 Ah
T = Tamb
, 100%
T = Tamb
, 80%
Tmax
=30°C, 100%
Tmax
=30°C, 80%
1 2 30
2
4
6
8
10
12
14
16
San Francisco Phoenix Miami
Ca
pa
city
loss
@ 5
yea
rs/%
Kokam 12 Ah
T = Tamb, 100%
T = Tamb, 80%
Tmax
=30°C, 100%
Tmax
=30°C, 80%
No management
SOC management
T management
SOC and T manag.
No management
SOC management
T management
SOC and T manag.
• Le vieillissement calendaire est naturellement très dépendant de la température (et donc ici de la localisation)
• Meilleur bénéfice de la gestion thermique sur la gestion du SOC sur l’élément A• Inverse sur l’élément B
� les lois de gestion doivent être spécifiques aux éléments…
Elément A Elément B
Résultats de simulation : pertes irréversibles aprè s 5 ans de stockage
| PAGE 31
EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE
Résultats CEA Résultats CEA
EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D’USAGE
Etude de l’influence de la gamme de SOC sur la durée de vie
Utilisateur #3 :
1 aller/retour – 1 recharge, entre 60% et 20% de SOC
Utilisateur #1 :
1 aller/retour – 1 recharge, entre 100% et 60% de SOC
Utilisateur #2 :
2 allers/retours – 1 recharge, entre 100% et 20% de SOC
On considère 3 utilisateurs de VE faisant le même trajet quotidien domicile-travail, 30km aller - 30km retour, avec 3 modes d’utilisation différents
| PAGE 32
Etude de l’influence de la gamme de SOC sur la durée de vie
Ces 3 profils ont été appliqués sur des éléments Li-ion, à raison de 2 éléments par profil, à 45°C
| PAGE 33
EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D’USAGE
Etude expérimentale
Etude de l’influence de la gamme de SOC sur la durée de vieRésultats expérimentaux
| PAGE 34
EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D’USAGE
Résultats CEA
SOMMAIRE
| PAGE 35
• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS
• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion
• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC
• Conclusions
CONCLUSIONS
| PAGE 36
• Une diversité d’offres batteries de plus en plus vaste qui accompagne de nouveaux marchés en plein essor
� besoin d’outils d’aide à la sélection de la « bonne » batterie pour chaque application
CONCLUSIONS
| PAGE 37
• Une diversité d’offres batteries de plus en plus vaste qui accompagne de nouveaux marchés en plein essor
� besoin d’outils d’aide à la sélection de la « bonne » batterie pour chaque application
• Des systèmes de stockage dont la rentabilité est à démontrer pour ces nouveaux marchés
� besoin d’outils d’aide au dimensionnement et à la gestion optimale, très prometteurs pour assurer cette rentabilité
CONCLUSIONS
| PAGE 38
• Une diversité d’offres batteries de plus en plus vaste qui accompagne de nouveaux marchés en plein essor
� besoin d’outils d’aide à la sélection de la « bonne » batterie pour chaque application
• Des systèmes de stockage dont la rentabilité est à démontrer pour ces nouveaux marchés
� besoin d’outils d’aide au dimensionnement et à la gestion optimale, très prometteurs pour assurer cette rentabilité
• Pour ces deux points, les spécifications des constructeurs ne suffisent pas
� besoin de caractériser et de modéliser les performances instantanées et en endurance des batteries