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

Laboratoire

d’Electrotechnique

et d’Electronique

Industrielle

Groupe

SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan,

Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS

Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS

Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage

R. SAISSET, C. TURPIN, S. ASTIER

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et d’Electronique

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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


Plan de l’exposé

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La génération décentralisée d’électricité et le stockage :

un problème crucial pour de nombreux systèmes autonomes

Plusieurs aspects :- autonomie- puissance- jauge d’énergie- durée de vie

Energie massique

Puissance massique1 10

30

5

50

100

0,1

1000

kW/kg

Wh/kg

Li-ion

NI-MH

Ni-Cd

Pb-Ac

Super-condensateurs

Roued’inertie

PAC

Pile à combustibleEssence :10 000 Wh/kg

Hydrogène :30 000 Wh/kg

Plan de Ragone

Des propriétés « temporelles »

différentes

Quelle disponibilité de l’énergie électrique au regard de la mission ?

Des performances fortement

dépendantes de l’utilisation

A évaluer dans le système completEx : jauge systémique

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Véhicules multi sources hybrides

GroupeElectrogène

Stockage(Batterie + …)

MoteursElectriques

Dynamiquevéhicule

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

Système : complémentarité judicieuse des organes

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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 électriquestatique ou tournant

Pile à combustible

Générateur photovoltaïque

Alternateur

Moteur électrique

Soleil

Un système complexe, à concevoir en fonction des missions

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I- Fonction stockage dans les systèmes





Plan de l’exposé

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H2 02

anode cathode

membrane échange de proton

H2 en excès

chaleur (90°C)

H20 (vapeur), O2 excès

plaques unipolaires séparateur

plaque plane électrode négative

(Pb)

plaque plane électrode positive

(PbO2)

chaleur de réaction (basse température)

électrolyte (acide H2SO4)

nécessite une recharge (8 à 10h)

vers l’utilisateur (fonctionnement en décharge)

collecteur

séparateur

collecteurélectrode imprégnée d’électrolyte

Pile à combustible PEM

Accumulateur acide/plomb

ions Li+e-

matériau d’insertion

[H]

électrolyte conducteur

de Li+

matériau d’insertion

[H’]

Supercondensateur Accumulateur Li ions

Des composants électrochimiquesaux caractères communs

Cellules électrochimiques: deux électrodes imprégnées d’un électrolyte

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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*

e-H+H+

H+

H+

H+

H+H+

H+H+

H+

H+

H+e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-e- e- e-

e-

e-

H+

électrolyte

électrode

Des composants électrochimiquesaux caractères communs

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Des composants électrochimiques variésaux propriétés différentes pour le système

Les accumulateurs

Les supercondensateurs

Les piles métal air

Energie dans la structuresans modification

Energie et puissance massique et volumique couplées

Fem E0 Energie dans la structure

Energie dans la structure et l’environnementFem E0

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 réservoirsréversible

irréversible

Hybridations possibles

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Un exemple : pile à combustible

H2 + 1/2 O2 H2O + chaleur + électricité

H2 O2

H+

-

CathodeAnode

+Ra Rc

RelRact,a

Rconc,c Ract,cRconc,a

VCVA Cact,

c

Cact,a

Ca,c

Charge électrique

Electrolyte Membrane

Fn

pTGE

....),,(Une fem qui dépend

de la réaction chimique

Loi de Butler-Volmer

Circuit électriqueéquivalent non linéaire

Développement d’une représentation unifiéebasée sur la représentation des échanges et conversions d’énergie

en Bond Graph

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La réaction chimique caractérisée par H0

laisse une énergie libreà T et P Constants G0 = H0 - T S0

G0 transférée à n F électrons

Fn

GE

00 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

Couplages électrochimiques

Chaleur

Un potentiel thermodynamique exploité dans les Bond Graph électrochimiques

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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)

Echanges d’énergies, interactions

Composant 1 Composant 2

Causalité

f (flux)

e (effort) Représentation d’un lien

Modélisation en Bond-Graph

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Connexion Valeurs constantes équations1 flux Somme(ei)=00 effort Somme(fi)=0

Symbole Composants équations sans causalitéR : r Résistance, frottement e-rf=0I : i Inductance, inertie e-idf/dt=0

C : c Capacité f-cde/dt=0GY Gyrateur,MCC e1=rf2, e2=rf1TF Transformateur e1=ne2, f2=nf1Se Source d'effort e=constante

Mse Source d'effort contrôlée e=e(entrée)Sf Source de flux f=constante

MSf Source de flux contrôlée f=f(entrée)

Briques élémentaires d’un Bond Graph

Causalité

Filtre RLC :

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Capacité de double couche

Surtension activation cathodique

Electrolyte

AnodeCathode

Loi de Butler-Volmer

FemVers domaine

chimique

Modèle de PAC domaine électrique

H+

CathodeAnode

Ra Rc

RelRact,aRconc,c Ract,cRconc,a

VCVA Cac

t,c

Cact,a

Ca,c

Electrolyte Membrane

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accumulateur au Li Ion

Passage du domaine chimique au domaine

électrique

Sortie vers la charge

Surtension d’activation

Résistance de l’électrolyte

nF

1

oEoGJi I

nF

GE

oo

nF

IJi

GJiIE

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Accumulateur Li IonCycle de Charge Décharge

3,2

3,3

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4

-400 -200 0 200 400 600 800 1000

Temps en min

Ten

sio

n e

n v

olt

expérimentation

simulation

L’effet ohmique

Les surtensions

La relaxation de l’ion Li+ dans l’électrodeet l’électrolyte

Un cycle de décharge et chargesimulation et expérience

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I- Fonction stockage dans les systèmes





Plan de l’exposé

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Pe

Psto, Wsto, Pertes

Ps

Le stockage d’énergie : une fonction essentielle des systèmes

Pe = Ps + Psto + Pertes

Degré de liberté énergétique : découplagede Ps et Pe sur un horizon de temps T0 qui dépend

des qualités du stockage et de sa capacité énergétique

0

0)(

tt dtPertesPstoWsto

Energie stockée

Nœud de confluence des puissances électriques

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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)

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Etude d’un groupe électrogène à pile à combustible

PAC OnduleurSurvolteur

HacheurHG

Une étude générique pour de nombreux systèmes Evaluation des architectures en fonction des missions

avec différents types stockages et d.d.l.

Utilisation

HacheurHS

Eléments destockage

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Point instable

Courant

Tension

Puissance

Vpac

Ipac

Pcharge

Hacheur BOOSTDC/DC

Charge

+

-

Fonctionnement de la pile à combustible

« au fil de la consommation »

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Dispositif de stockage idéal à tension réglable indépendante de Wsto

Courant

Tension

Vpac

Ipac

Elément destockage

Charge

+

-

DC/DC

Bus continu contrôlé en tension

ChargePile à combustible

Source de courant

Fonctionnement de la pile à combustible à tension imposée

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Courant

Tension

Vpac

Ipac

Elément destockage

Charge

+

-

DC/DC

Bus contrôlé en courant

Charge

Pile à combustible

Source de tension

Fonctionnement de la pile à combustible à courant imposé

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PAC

Elémentsde

stockage

OnduleurSurvolteur

Structure d’un groupe électrogène à stockage direct

L’élément de stockage est :

• soit un accumulateur

• soit un supercondensateur

Couplage direct PAC-Stockage

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Courant [A]

Tension [V]

V1

V2

I1 I2

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7

Temps [s]

Pu

issa

nce

[W

] E

ner

gie

[J]

Puissance moyenne de la pile à combustibleEnergie du supercondensateur

On observe une limitation naturelle de la charge de l’élément de 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


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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.


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PACOnduleurSurvolteur

HacheurSurvolteur


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

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PAC

Hacheur dévolteurrégulé en courant

Supercondensateur

Onduleur Survolteur +Charge

IonduleurIpac

Iondul ation

Mesurede Ionduleur

Filtrage passe haut

Mesure du courantdans le hacheur

Correcteur PI ComparateurConsigne


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-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12

Temps [s]

Co

ura

nt

[A]

Courant onduleur

Courant filtre actif

Courant pile

Impact de charge


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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.


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PAC OnduleurSurvolteur

HacheurSurvolteur


Fonctionnement de la pile à tension imposéeStockage 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 :

<P_entrée> = <P_sortie>

Fonctionnement de la pile à tension imposée

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1LrefI

meseV

LV +-

mesLI

-+ PI

cV

1

LrefI

mesoI

crefVpacP cI

mescV sortieP

PI-

+-

+ PI+

+Ve

Vc

moyenV

++


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Groupe




Laboratoire


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Régulation en puissance avec apparition des pertes à 3.2s

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Temps [s]

Pu

issa

nce

[W

]

0

20

40

60

80

100

120

En

erg

ie [

J]

Puissance pile

Puissance sortie

Energie supercapacité

Avec cette simple gestion, l’élément de stockage se décharge en raison des pertes internes au stockage qu’il faut compenser.

Prise en compte des pertes


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pacP

SupercapaV

PI

2

21

SupercapaCV

refE -+

crefV

sortieP

PI-

+

Régulation d'énergie de la supercapacité

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Temps [s]

Pu

iss

an

ce

[W

]

0

20

40

60

80

100

120

En

erg

ie s

up

erc

ap

ac

ité

[J

]

Puissance pile

Puissance sortie

Energie supercapacité

On compense les pertes afin de contrôler la charge de l’élément de stockage.


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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.


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-2

-1

0

1

2

3

4

5

-0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015

temps en s

Co

ura

nt

en

A

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Te

ns

ion

[V

]

courant pile

courant batterie

courant charge

tension

Essais avec batterie au plombfonctionnement contrôlé à tension

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-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,002 0,00205 0,0021 0,00215 0,0022 0,00225

temps en s

Co

ura

nt

en

A

0

2

4

6

8

10

12

14

Te

ns

ion

[V

]

Courant pile

Courant accumulateur

Couarnt charge

Tension

Essais avec batterie au plombfonctionnement contrôlé à tension

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« Filtrage actif » et gestion d’énergieEx : Hybridation de composants de stockage

accumulateur + supercondensateur

Accumulateur

Supercondensateur

Lissage de la puissance vue par la batterie d’accumulateurs

Filtrage actif

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« Filtrage actif » et gestion d’énergie

Roue

Transmission

Moteur

Onduleur

Batteries

Bus continu

Commande

Pilote

==

Supercondensateurs

Variable de commande

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

MissionsINRETS

Analyse fréquentielle des missions

Fréquence de coupure dimensionnement, gestion d’énergieUn indicateur pertinent extrait de la mission

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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

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MPPTTransmission

Moteur

Onduleur

Accumulateur

Bus continu

CommandeHacheur

Panneau solaire

Modèle global d’un véhicule électrique solaire

STO LI-ION

GMPmPVi

G

T

C

mPVi

G

T

C

mPVi

G

T

C

mPVi

G

T

C

mPVi

G

T

C

mPVi

G

T

C

0

0

0

electrique

temperature

VI

1

MSemesures

0

0

0

MSe

mesures

electrique

temperature

VI

1

GPV

Solelhada

Noeud

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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

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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

Documents

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