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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université d’El-Oued Faculté des Sciences et de la Technologie N° d’Ordre : …………… N° de Série : …………… MEMOIRE Présenté pour obtenir le diplôme de Magister en Electrotechnique Option : Maîtrise d’Énergie Par : BENAOUADJ Mahdi CONTROLE D’UNE SOURCE HYBRIDE BATTERIES/SUPERCONDENSATEURS, RECHARGEE PAR L'ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE , POUR TRACTION ÉLECTRIQUE « VEHICULE HYBRIDE » Soutenu le : 15/10 /2012 devant le jury composé de : Président BENATTOUS Djilani M.C U. El-Oued Rapporteur ABOUBOU Abdennacer M.C U. Biskra Examinateurs MOUSSI Ammar Pr U. Biskra BAHRI Mebarek M.C U. Biskra Pr U. Biskra Invité SRAIRI Kamel Remerciement ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Remerciement Le plus grand merci revient à Dieu qui lui seul m’a guidé dans le bon sens durant ma vie, et qui m’a aidé à réaliser ce modeste travail. Je tiens à remercier particulièrement mes encadreurs messieurs Abdennacer ABOUBOU et Mohamed-Yacine AYAD pour l’intérêt qu’ils ont apporté pour ce travail ainsi qu’aux conseils donnés. Mes sincères remerciements s’adressent également à messieurs les membres du jury pour l'honneur qu'ils me feront en participant au jugement de ce travail. Je tiens à remercier vivement toute personne qui m’a aidée, de prés ou de loin, à élaborer et réaliser ce mémoire. Enfin, je remercie tout particulièrement mes parents, pour leur soutien inconditionnel durant ces longues années d’études. Notations et Symboles ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Notations et Symboles ABS Acrylonitrile Butadiène Styrène AGM Absorbed Glass Mat AM Air Mass Aut Nombre de jours d’autonomie du pack de batteries au plomb-acide AutV Nombre de jours d’autonomie du pack de batteries au lithium-ion CBM Capacité nominale du pack de batteries au plomb-acide [Ah] Cbus Capacité du bus continu [F] CBV Capacité nominale du pack de batteries au lithium-ion [Ah] CSC Capacité du pack de supercondensateurs [F] C0BM Capacité du pack de batteries au plomb-acide [F] C0BV Capacité du pack de batteries au lithium-ion [F] DBM Profondeur de décharge du pack de batteries au plomb-acide [%] DBV Profondeur de décharge du pack de batteries au lithium-ion [%] EBM Energie journalière à stocker dans le pack de batteries au plomb-acide [Wh/j] EDCBM Etat de Charge du pack de batteries au plomb-acide [%] EDCBV Etat de Charge du pack de batteries au lithium-ion [%] Emax_transf Energie maximale transférée par le pack de supercondensateurs [J] Ep Energie journalière à produire par les panneaux photovoltaïques [Wh/j] E0BM Fem du pack de batteries au plomb-acide [V] E0BV Fem du pack de batteries au lithium-ion [V] FF Facteur de Forme [%] G Eclairement [W/m2] GM General Motors GRSP Gravité spécifique de l'électrolyte G2V For Grid To Vehicle H2V For Home To Vehicle I (Icell) Courant débité par la cellule photovoltaïque [A] iBM Courant du pack de batteries au plomb-acide [A] IBM Courant moyen fournit par le pack de batteries au plomb-acide [A] iBV Courant du pack de batteries au lithium-ion [A] IBV Courant moyen fournit par le pack de batteries au lithium-ion [A] ICC Courant de court circuit de la cellule photovoltaïque [A] IOPT Courant correspondant au point de puissance maximale [A] Notations et Symboles ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Iph Photocourant, ou courant généré par l'éclairement [A] iSC Courant du pack de supercondensateurs [A] ISC Courant moyen fournit par le pack de supercondensateurs [A] Ipv Courant total débité par les panneaux [A] Ipvmoy Courant total moyen débité par les panneaux [A] I0d Courant de saturation de la diode [A] k Constante de Boltzmann (k = 1,38.10 -23 J/°K ) kp Profondeur de décharge du pack de supercondensateurs [%] MPP Maximum Power Point MPPT Maximum Power Point Tracking NBMP Nombre des batteries au plomb-acide en parallèle NBMS Nombre des batteries au plomb-acide en série NBMTOT Nombre total des batteries au plomb-acide NBVP Nombre des batteries au lithium-ion en parallèle NBVS Nombre des batteries au lithium-ion en série NBVTOT Nombre total des batteries au lithium-ion NP Nombre d’éléments de supercondensateurs connectés en parallèle NS Nombre d’éléments de supercondensateurs connectés en série NPBM Nombre de batteries au plomb-acide connectées en parallèle NSBM Nombre de batteries au plomb-acide connectées en série NPcel Nombre de cellules photovoltaïques connectées en parallèle NScel Nombre de cellules photovoltaïques connectées en série NOx Gaz produits principalement par la combustion de combustibles fossiles Pb Plomb PbO2 Dioxyde de plomb PBV Puissance du pack de batteries au lithium-ion [W] PBVmax Puissance maximale du pack de batteries au lithium-ion [W] Pc Puissance crête des panneaux [W] Pch Puissance demandée par la charge [W] Pin Puissance délivrée par le pack de batteries [W] Pmpp Puissance maximale théorique pouvant être fournie par les panneaux [W] PPM Point de Puissance Maximale Ppv Puissance fournie par les panneaux [W] Ppv_moy Puissance moyenne fournie par les panneaux [W] PSC Puissance du pack de supercondensateurs [W] PV Photovoltaïque Notations et Symboles ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– PVC Poly Vinyl Chloride P&O Perturb & Observe q Charge de l'électron (q = 1,602.10 -19 C) QdBM Capacité de charge manquante par rapport à CBM [Ah] QdBV Capacité de charge manquante par rapport à CBV [Ah] Rs Résistance série de la cellule photovoltaïque [Ω] RSC Résistance du pack de supercondensateurs [Ω] Rsh Résistance shunt de la cellule photovoltaïque [Ω] R0BM Résistance du pack de batteries au plomb-acide [Ω] R0BV Résistance du pack de batteries au lithium-ion [Ω] S Surface active de la cellule photovoltaïque [m2] SO2 Dioxyde de Soufre STC Standard Test Conditions T Température de la cellule photovoltaïque [°K] Ta Température ambiante [°C] te Nombres d’heures d’éclairement équivalentes par jour [h/j] V (Vcell) Tension aux bornes de la cellule photovoltaïque [V] vBM Tension aux bornes du pack de batteries au plomb-acide [V] VBMn Tension nominale du pack de batteries au plomb-acide [V] vBV Tension du pack de batteries au lithium-ion [V] VBVn Tension nominale du pack de batteries au lithium-ion [V] vbus Tension aux bornes du bus continu [V] Vbusréf Tension de référence du bus continu [V] VE Véhicule Electrique VEH Véhicule Electrique Hybride Vin Tension à l’entrée du convertisseur buck coté maison [V] VMPP Tension au point de puissance maximale [V] VOC Tension de circuit ouvert de la cellule photovoltaïque [V] VOPT Tension correspondant au point de puissance maximale [V] Vout Tension à la sortie du convertisseur buck coté maison [V] Vpv Tension aux bornes des panneaux [V] VRLA Valve Regulated Lead-Acid vSC Tension aux bornes du pack de supercondensateurs [V] VSC_max Tension maximale aux bornes du pack de supercondensateurs [V] VSC_min Tension minimale aux bornes du pack de supercondensateurs [V] Vt Potentiel thermique [V] Notations et Symboles ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– VTE Véhicule Tout Electrique V1 Seuil haut de coupure pour la charge du pack de batteries au plomb-acide [V] V2 Tension initiale aux bornes du pack de batteries au plomb-acide [V] V3 Seuil haut de coupure pour la charge du pack de supercondensateurs [V] V4 Seuil haut de coupure pour la charge du pack de batteries au lithium-ion [V] V5 Tension initiale aux bornes du pack de supercondensateurs [V] V6 Tension initiale aux bornes du pack de batteries au lithium-ion [V] V2G For Vehicle To Grid V2H For Vehicle To Home Wc Watt crête ybus Energie capacitive [J] ybusréf Energie capacitive de référence [J] ySC Energie supercapacitive [J] ZEV Zero Emission Vehicle ΔI1 Largeur de la demi-bande passante du régulateur hystérésis utilisé pour générer les commandes des interrupteurs du convertisseur lié au pack de batteries au lithium-ion [A] ΔI2 Largeur de la demi-bande passante du régulateur hystérésis utilisé pour générer les commandes des interrupteurs du convertisseur lié au pack de supercondensateurs [A] η Rendement énergétique de la cellule photovoltaïque [%] ηc Rendement de conversion des convertisseurs buck-boost [%] ηmppt Rendement de l’algorithme MPPT [%] Résumé ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Contrôle d’une Source Hybride Batteries/Supercondensateurs, Rechargée par l’Énergie Photovoltaïque, pour Traction Électrique « Véhicule Hybride » Résumé : L’optimisation du secteur des transports, premier consommateur d’énergies fossiles et émetteur de gaz carbonique à effet de serre, est primordiale pour répondre aux enjeux climatiques de demain et faire face aux demandes énergétiques toujours croissantes. Le véhicule électrique, maillon manquant de la chaîne de mobilité urbaine durable, est une avancée majeure dans la diminution de l’empreinte environnementale des transports. Son développement propre et le succès de ce système de motorisation dépend de la mise à disposition d’infrastructures de recharge appropriées. A cause de leur autonomie limitée, les véhicules électriques doivent être rechargés par échange de batteries et induction, ou par utilisation de chargeurs branchables. Dans le but de procéder au rechargement des éléments " pack de batteries au lithiumion / pack de supercondensateurs " du système de stockage hybride embarqué dans un véhicule électrique, nécessitant l’ajout des supercondensateurs pour une meilleure préservation des batteries en leur évitant les décharges profondes, nous proposons dans ce travail, la mise en œuvre d’un système de recharge hybride composé de deux parties essentielles, l’un photovoltaïque autonome avec stockage d’électricité produite dans des batteries au plomb, l’autre interdépendant utilisant l’élément de stockage du premier système. Enfin, s’impose une stratégie de contrôle basée sur la platitude des systèmes, qui permet de gérer les flots d’énergie entre les différents organes du système multi-sources à bord. Mots clés : Batterie au lithium-ion – Batterie au plomb – Contrôle par platitude – Energie photovoltaïque – MPPT – Supercondensateur – Système de recharge hybride – Système multi-sources – Véhicule électrique. ملخص ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– مراقبت منبع هجين بطارياث\ سعاث كهروكميائيت ،معاد شحنه بىاسطت الطاقت الكهروضىئيت، من أجل الجر الكهربائي « السيارة الهجينت » ملخص :تذسٍه قطبع انىقم ،أول مستههك نهطبقبث األدفىسٌت وأول مشسم نغبصاث ثبوً أكسٍذ انكشبىن انذفٍئت ،أمش ضشوسي نمىاجهت انتذذٌبث انمىبخٍت و انطهببث انمتضاٌذة نهطبقت .انسٍبسة انكهشببئٍت ،انذهقت انمفقىدة فً سهسهت انتىقالث انذضشٌت انمستذامت ،خطىة كبٍشة إنى األمبو نهذذ مه اَثبس انسهبٍت نهىقم .تطىس ووجبح هزا انىظبو ٌؼتمذ ػهى تىفٍش انبىٍت انمىبسبت نهشذه .بسبب بطبسٌبتهب انمذذودة ،انسٍبساث انكهشببئٍت تذتبج إنى إػبدة شذىهب بتبذٌم انبطبسٌبث وانشذه انذثً، أو ببستؼمبل انشىاده انمىصىنت. مه أجم إػبدة شذه انؼىبصش "دضمت مه بطبسٌبث انهٍثٍىو -أٌىن \ دضمت مه انسؼبث انكهشوكمٍبئٍت" انمكىوت نىظبو انتخضٌه انهجٍه انمىجىد فً سٍبسة كهشببئٍت ،مغ ضشوسة إضبفت انسؼبث انكهشوكمٍبئٍت مه أجم انذفبظ ػهى انبطبسٌبث مه خالل تجىٍبهب انتفشٌغبث انؼمٍقت ،وقتشح فً هزا انؼمم ،تىفٍز وظبو شذه هجٍه متكىن مه جضئٍه سئٍسٍٍه، األول كهشوضىئً راتً مغ تخضٌه انكهشببء انمىتجت فً بطبسٌبث انشصبص ،واَخش متشابط ٌستخذو ػىصش تخضٌه انىظبو األول .أخٍشا ،وقذو إستشاتٍجٍت مشاقبت تذفق انطبقت بٍه مختهف مكىوبث انىظبو متؼذد انمصبدس انمىجىد ػهى مته انسٍبسة ،وهزا ببستؼمبل خبصٍت تسطخ األوظمت. الكلماث المفتاحيت :بطبسٌت انهٍثٍىو-أٌىن – بطبسٌت انشصبص – مشاقبت بىاسطت انتسطخ – طبقت كهشوضىئٍت – تتبغ وقطت اإلستطبػت انؼظمى – سؼت كهشوكمٍبئٍت – وظبو شذه هجٍه – وظبو متؼذد انمصبدس – سٍبسة كهشببئٍت. Abstract ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Control of Batteries/Supercapacitors Hybrid Source, Recharged by Photovoltaic Energy, for Electric Traction « Hybrid Vehicle » Abstract : The optimization of the transport sector, largest consumer of fossil fuels and transmitter of carbonic gases with greenhouse effect, is crucial to meet the climate challenges of tomorrow and face the ever increasing energy demands. The electric vehicle, the missing link in the chain of sustainable urban mobility, is a major step forward in reducing the environmental trace of transport. Its clean development and success of this drive system depends on the availability of appropriate charging infrastructure. Because of their limited autonomy, electric vehicles need to be recharged by exchange of batteries and induction, or by use of plug-loaders. In order to make the refilling of elements " lithium-ion batteries pack / supercapacitors pack " of the hybrid storage system embarked in an electric vehicle, requiring the addition of supercapacitors for better preservation of batteries by avoiding deep discharge, we propose in this work, the implementation of hybrid charging system consists of two main parts, a standalone photovoltaic with electricity storage in lead batteries, the other interdependent using the storage element of the first system. Finally, imposing a control strategy based on the flatness of systems that can manage the flows of energy between different components of the multisource system on board. Key words : Lithium-ion battery – Lead battery – Flatness control – Photovoltaic Energy – MPPT – Supercapacitor – Hybrid charging system – Multi-sources system – Electric vehicle. Table des matières ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Table des matières Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque I.1 Introduction .......................................................................................................................5 I.2 Production de l’énergie électrique photovoltaïque .............................................................5 I.2.1 Le rayonnement solaire ..............................................................................................5 I.2.2 La cellule photovoltaïque ...........................................................................................7 I.2.2.1 Généralités ......................................................................................................7 I.2.2.2 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque ................................8 I.2.2.3 Différentes technologies des cellules photovoltaïques .....................................9 I.2.2.4 Modélisation d’une cellule photovoltaïque .................................................... 11 I.2.2.5 Caractéristique courant - tension d’une cellule photovoltaïque ...................... 12 I.2.3 Le générateur photovoltaïque ................................................................................... 14 I.2.3.1 La mise en série / parallèle ............................................................................ 14 I.2.3.2 Influence de l’éclairement et de la température ambiante ............................... 15 I.2.3.3 Caractéristiques nominales d’un générateur photovoltaïque ........................... 16 I.2.4 Principes de la recherche du point maximal de puissance ......................................... 16 I.2.4.1 Les méthodes indirectes ................................................................................ 17 I.2.4.2 Les méthodes directes ................................................................................... 18 I.2.5 Applications des systèmes photovoltaïques .............................................................. 21 I.2.5.1 Les systèmes raccordés au réseau .................................................................. 21 I.2.5.2 Les systèmes isolés et autonomes .................................................................. 22 I.3 Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque .............................................................. 23 I.3.1 Accumulateurs, piles et batteries : des performances en constante amélioration ....... 23 I.3.2 Les batteries au plomb ............................................................................................. 25 I.3.2.1 Constitution d’une batterie au plomb ............................................................. 25 I.3.2.2 Principe de fonctionnement d’un accumulateur au plomb .............................. 27 I.3.2.3 Différentes familles des batteries au plomb ................................................... 29 I.3.2.4 Performances techniques ............................................................................... 30 I.3.2.5 Contraintes de stockage de l’énergie photovoltaïque dans une batterie au plomb............................................................................................................ 31 I.4 Conclusion ...................................................................................................................... 31 Table des matières ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules élecriques II.1 Introduction ................................................................................................................... 33 II.2 Les véhicules électriques : solution ultime du problème de CO 2 ..................................... 33 II.3 Historique de developpement du véhicule électrique ...................................................... 34 II.4 Principales configurations des véhicules électriques ....................................................... 39 II.4.1 Les véhicules tout électriques ................................................................................ 40 II.4.2 Les véhicules hybrides........................................................................................... 41 II.4.2.1 Différentes architectures des véhicules hybrides ............................................... 41 II.4.2.2 Principaux modes de fonctionnement des véhicules hybrides ..................... 44 II.5 Les véhicules électriques et la source d’énergie embarquée ............................................ 46 II.5.1 Source d’énergie irréversible ................................................................................. 46 II.5.2 Source d’énergie réversible.................................................................................... 46 II.5.2.1 Le stockage mécanique sous forme d’énergie cinétique dans un volant d’inertie ..................................................................................................... 47 II.5.2.2 Le stockage pneumatique ...........................................................................48 II.5.2.3 Le stockage électrochimique ......................................................................48 II.6 Sources hybrides : découplage du besoin en énergie et en puissance ............................... 50 II.7 Différents moyens de recharge des véhicule électriques ................................................. 51 II.7.1 L’échange de batteries ........................................................................................... 51 II.7.2 La recharge par induction ...................................................................................... 52 II.7.3 Les chargeurs branchables ..................................................................................... 53 II.7.3.1 La structure For Grid To Vehicle ............................................................... 53 II.7.3.2 La structure For Home To Vehicle ............................................................. 54 II.8 Conclusion ..................................................................................................................... 55 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride III.1 Introduction .................................................................................................................. 57 III.2 Dimensionnement et modélisation du système de recharge hybride ............................... 57 III.2.1 Présentation du système de recharge .................................................................... 57 III.2.2 Dimensionnement énergétique du système de recharge........................................ 58 III.2.2.1 Dimensionnement du système photovoltaïque autonome ...................... 58 III.2.2.2 Dimensionnement du système interdépendant embarqué dans le véhicule .................................................................................................. 63 III.2.3 Modélisation du système de recharge .................................................................. 69 III.2.3.1 Modélisation du système photovoltaïque autonome ................................ 69 III.2.3.2 Modélisation du système interdépendant embarqué dans le véhicule ....... 79 Table des matières ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.3 Evaluation des performances du système de recharge hybride ....................................... 83 III.3.1 Performances du système photovoltaïque autonome ............................................ 83 III.3.1.1 Seuils de tension du système de supervision............................................ 84 III.3.1.2 Efficacité de l’algorithme de l’incrément de conductance ....................... 85 III.3.1.3 Fonctionnement dans des conditions optimales, le mois de Juillet ...........87 III.3.1.4 Fonctionnement dans des conditions dégradées, le mois de Décembre .... 88 III.3.2 Performances du système interdépendant embarqué dans le véhicule ................... 89 III.3.2.1 Seuils de tension du système de supervision............................................ 89 III.3.2.2 Recharge du pack de supercondensateurs ............................................... 91 III.3.2.3 Recharge du pack de batteries au lithium-ion ..........................................92 III.4 Conclusion .................................................................................................................... 93 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries / supercondensateurs IV.1 Introduction .................................................................................................................. 95 IV.2 Hybridation des dispositifs électrochimiques ................................................................ 95 IV.2.1 Concept d’hybridation ........................................................................................ 95 IV.2.2 Structures et stratégies de contrôle des sources hybrides ..................................... 97 IV.3 Définition d’un système plat ....................................................................................... 101 IV.4 Domaines d’utilisation du contrôle basé sur la théorie de la platitude différentielle ..... 102 IV.5 Contrôle par platitude de la source hybride ................................................................. 102 IV.5.1 Présentation du système multi-sources .............................................................. 102 IV.5.2 Dimensionnement des convertisseurs et de la capacité du bus continu .............. 103 IV.5.3 Modélisation du système multi-sources ............................................................. 104 IV.5.4 Géstion d’énergie et lois de contrôle ................................................................. 105 IV.5.4.1 Régulation de l’énergie capacitive ......................................................... 106 IV.5.4.2 Etude de la platitude du système multi-sources ...................................... 106 IV.5.4.3 Planification de la trajectoire de référence ............................................. 107 IV.5.4.4 Asservissement de la sortie plate à sa référence .................................. 107 IV.5.4.5 Contrôle de la puissance du pack de batteries ...................................... 108 IV.5.4.6 Asservissement des courants inductifs ................................................ 108 IV.5.5 Résultats et discussion...................................................................................... 112 IV.6 Comparaison des deux types de stockage face à de fortes sollicitations ....................... 115 IV.7 Conclusion ................................................................................................................. 119 Conclusion générale ..................................................................................... 122 Annexe .......................................................................................................... 126 Références Bibliographiques ....................................................................... 139 Liste des tableaux ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Liste des tableaux Tableau I.1 : Principales comparaisons des deux familles technologiques de la batterie au plomb ................................................................................................................................... 29 Tableau I.2 : Principales données techniques de la batterie au plomb .................................... 30 Tableau II.1 : Comparaison entre les différentes architectures des véhicules hybrides...........44 Tableau II.2 : Propriétés de quelques technologies de batteries utilisées dans l’automobile ... 49 Tableau III.1 : Caractéristiques du panneau PV AEG-40 ...................................................... 60 Tableau III.2 : Caractéristiques de la source PV ................................................................... 60 Tableau III.3 : Caractéristiques de la batterie Yuasa NP65-12 .............................................. 62 Tableau III.4 : Caractéristiques du pack de batteries au plomb-acide .................................... 62 Tableau III.5 : Caractéristiques de la batterie GS YUASA LIM30H ..................................... 65 Tableau III.6 : Caractéristiques du pack de batteries au lithium-ion ......................................66 Tableau III.7 : Caractéristiques d’une cellule supercondensateur de type BCAP2000 P270 .. 68 Tableau III.8 : Caractéristiques du pack de supercondensateurs ............................................ 69 Tableau III.9 : Seuils de tension du système de supervision utilisé pour la recharge du pack de batteries au plomb-acide .................................................................................................. 85 Tableau III.10 : Seuils de tension du système de supervision utilisé pour la recharge des éléments du système de stockage hybride ............................................................................. 91 Tableau IV.1 : Récapitulatif du calcul de la capacité du bus continu ................................... 104 Tableau IV.2 : Paramètres du système multi-sources .......................................................... 112 Tableau IV.3 : Comparaison de l’état de charge final du pack de batteries pour les deux types de stockage après application des différents profils de puissance ........................................ 119 Tableau A.1.1 : Principales données techniques des accumulateurs au lithium-ion .............. 129 Tableau A.2.1 : Différentes familles de supercondensateurs................................................ 133 Tableau A.2.2 : Caractéristiques des éléments Epcos et Maxwell ........................................ 136 Table des figures Figure I.1 : Subdivision du rayonnement solaire .....................................................................7 Figure I.2 : Association de cellules PV ...................................................................................7 Figure I.3 : Principe d’une jonction PN ..................................................................................8 Figure I.4 : Etapes de production d’électricité par une cellule photovoltaïque .........................9 Figure I.5 : Cellules photovoltaïques mono-cristallines ...........................................................9 Figure I.6 : Cellules photovoltaïques poly-cristallines........................................................... 10 Figure I.7 : Cellules photovoltaïques amorphes .................................................................... 11 Figure I.8 : Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque .................................................. 12 Figure I.9 : Caractéristique I(V) d’une cellule PV pour un éclairement et une température donnés .................................................................................................................................. 13 Figure I.10 : Groupent de n cellules identiques en série ........................................................ 14 Figure I.11 : Groupent de n cellules identiques en parallèle................................................... 14 Figure I.12 : Caractéristique d’un groupement de n cellules identiques en série ................... 14 Figure I.13 : Caractéristique d’un groupement de n cellules identiques en parallèle ............. 14 Figure I.14 : Caractéristique I-V du GPV PW850 en fonction de l’éclairement ..................... 15 Figure I.15 : Caractéristique I-V du GPV PW850 en fonction de la température ambiante .... 15 Figure I.16 : Principe de la méthode Perturb & Observe ....................................................... 19 Figure I.17 : Algorithme de la méthode Perturb & Observe .................................................. 19 Figure I.18 : Mise en évidence de dP/dV .............................................................................. 20 Figure I.19 : Algorithme de l’incrément de conductance ....................................................... 21 Figure I.20 : Exemple de la structure d’un système PV raccordé au réseau............................ 22 Figure I.21 : Exemple de la structure d’un système PV isolé et autonome ............................. 23 Figure I.22 : Vue en coupe d'un élément au plomb ouvert (batterie de démarrage) ................ 26 Figure I.23 : Vue éclatée d'une batterie de démarrage ........................................................... 26 Figure I.24 : Schéma de principe d’un accumulateur au plomb ............................................. 27 Figure I.25 : Cycle décharge/charge d’un accumulateur au plomb......................................... 28 Figure II.1 : Dodge EV ......................................................................................................... 33 Figure II.2 : Centrale au charbon .......................................................................................... 34 Figure II.3 : Premier véhicule électrique à batterie rechargeable ...........................................35 Figure II.4 : Premier vrai véhicule électrique en 1891 ........................................................... 35 Figure II.5 : Le Riker électrique ............................................................................................ 35 Figure II.6 : Véhicule électrique "La jamais contente" .......................................................... 35 Figure II.7 : Wood phaeton 1902 .......................................................................................... 36 Figure II.8 : Véhicule d’Anderson Electric Car Company ..................................................... 36 Figure II.9 : Premier véhicule hybride en 1972 ..................................................................... 37 Figure II.10 : La Vanguard-Sebring CitiCar ..........................................................................37 Figure II.11 : L’EV 1 ............................................................................................................ 37 Figure II.12 : La Toyota Prius ............................................................................................... 38 Figure II.13 : Fin de l’EV 1 .................................................................................................. 38 Figure II.14 : Préambule du documentaire "Who Killed the Electric Car ? " ......................... 39 Figure II.15 : La Pininfarina Blue Car ................................................................................... 39 Figure II.16 : Chaine de traction tout électrique .................................................................... 40 Figure II.17 : Véhicule hybride série ..................................................................................... 42 Figure II.18 : Véhicule hybride parallèle ............................................................................... 43 Figure II.19 : (a) : Traction en mode thermique pur, (b) : Freinage en mode thermique pur ... 45 Figure II.20 : (a) : Traction en mode électrique pur, (b) : Freinage en mode électrique pur .... 45 Figure II.21 : (a) : Double propulsion, (b) : Simple propulsion, (c) : Freinage mode hybride . 46 Figure II.22 : Plan de Ragone de quelques types d’énergie utilisés dans l’automobile ...........47 Figure II.23 : Volant d’inertie utilisé dans les bus de Bâle..................................................... 47 Figure II.24 : Réservoir d’air comprimé de la Tata MiniCat .................................................. 48 Figure II.25 : Tata MiniCat, véhicule à air comprimé ............................................................ 48 Figure II.26 : Pack de batteries embarqué dans le Roadster de Tesla Motors ......................... 49 Figure II.27 : Système MITRAC utilisant les supercondensateurs pour le stockage de l’énergie ............................................................................................................................... 50 Figure II.28 : Installation du pack de batteries au lithium-ion à bord du Roadster de Tesla Motors .................................................................................................................................. 52 Figure II.29 : Schéma présentant le chargeur à induction ...................................................... 52 Figure II.30 : Flux d’énergie pour les modes G2V et V2G .................................................... 53 Figure II.31 : La Toyota Prius hybride rechargeable et son environnement de recharge......... 54 Figure II.32 : Flux d’énergie pour les modes H2V et V2H .................................................... 54 Figure III.1 : Schéma de principe du système de recharge hybride ........................................ 57 Figure III.2 : Synoptique du système PV autonome avec stockage d’énergie......................... 58 Figure III.3 : Configuration de la source PV ......................................................................... 61 Figure III.4 : Configuration du pack de batteries au plomb-acide ..........................................63 Figure III.5 : Synoptique du système interdépendant embarqué dans le véhicule ................... 63 Figure III.6 : Convertisseur DC/DC buck utilisé pour la recharge des éléments du système de stockage hybride ................................................................................................................... 64 Figure III.7 : Configuration du pack de batteries au lithium-ion ............................................ 66 Figure III.8 : Modèle d’un pack de supercondensateurs......................................................... 67 Figure III.9 : Configuration du pack de supercondensateurs .................................................. 69 Figure III.10 : Éclairements au mois de Décembre et Juillet sur la ville de Biskra ................. 70 Figure III.11 : Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque .............................................. 71 Figure III.12 : Caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV AEG-40.............. 72 Figure III.13 : Influence de l’éclairement sur les caractéristiques I pv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV AEG-40 ......................................................................................................... 73 Figure III.14 : Influence de la température ambiante sur les caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV AEG-40 ..................................................................................... 74 Figure III.15 : Caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) de la source PV.......................... 75 Figure III.16 : Connexion entre la source PV et le pack de batteries au plomb-acide à travers un étage d’adaptation buck commandé par MPPT................................................................. 76 Figure III.17 : Modèle R-C série de la batterie au plomb ....................................................... 78 Figure III.18 : Principe du système de supervision utilisé pour la recharge du pack de batteries au plomb-acide ..................................................................................................................... 79 Figure III.19 : Convertisseur DC/DC buck utilisé pour la recharge du pack de supercondensateurs ............................................................................................................... 79 Figure III.20 : Convertisseur DC/DC buck utilisé pour la recharge du pack de batteries au lithium-ion............................................................................................................................ 80 Figure III.21 : Modèle d’un élément supercondensateur ........................................................ 81 Figure III.22 : Principe du système de supervision utilisé pour la recharge des éléments du système de stockage hybride ................................................................................................. 83 Figure III.23 : Etat de charge et réponse en tension du pack de batteries au plomb-acide....... 84 Figure III.24 : Profil d’éclairement ....................................................................................... 85 Figure III.25 : Puissance effective fournie par la source PV .................................................. 86 Figure III.26 : Puissance maximale pouvant être fournie par la source PV ............................ 86 Figure III.27 : Tension et état de charge du pack de batteries au plomb-acide durant le mois de Juillet ................................................................................................................................... 87 Figure III.28 : Tension et état de charge du pack de batteries au plomb-acide durant le mois de Décembre ............................................................................................................................. 88 Figure III.29 : Etat de charge et réponse en tension du pack de batteries au lithium-ion ........ 90 Figure III.30 : Tension et état de charge du pack de supercondensateurs ............................... 91 Figure III.31 : Tension et état de charge du pack de batteries au lithium-ion ......................... 92 Figure IV.1 : Conception de l’hybridation et différents régimes de fonctionnement .............. 96 Figure IV.2 : Connexion direct et parallèle des batterie et supercondensateurs ...................... 97 Figure IV.3 : Structure de la source hybride ..........................................................................98 Figure IV.4 : a) Tension du bus continu et sa référece b) Courant de la charge ...................... 98 Figure IV.5 : Puissance de la pile à combustible, du pack de supercondensateurs et de la charge ................................................................................................................................... 98 Figure IV.6 : Topologie de la source hybride ........................................................................ 99 Figure IV.7 : Comparaison entre le contrôle par platitude et par un régulateur PI classique . 100 Figure IV.8 : Structure du système multi-sources ................................................................ 103 Figure IV.9 : Génération de la trajectoire de référence ybusréf ............................................... 107 Figure IV.10 : Principe de contrôle du courant par la technique MLI .................................. 109 Figure IV.11 : Principe de contrôle du courant par hystérésis .............................................. 109 Figure IV.12 : Génération du signal de commande de l’interrupteur S 1 ............................... 110 Figure IV.13 : Génération du signal de commande de l’interrupteur S3 ............................... 110 Figure IV.14 : Structure globale du contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs............................................................................................... 111 Figure IV.15 : Profil de puissance de la charge ................................................................... 113 Figure IV.16 : Tension du bus continu et sa référence ......................................................... 113 Figure IV.17 : Courbes de puissances ................................................................................. 113 Figure IV.18 : Tension du pack de batteries ........................................................................ 114 Figure IV.19 : Etat de charge du pack de batteries .............................................................. 114 Figure IV.20 : Tension du pack de supercondensateurs ....................................................... 114 Figure IV.21 : Etat de charge du pack de supercondensateurs ............................................. 114 Figure IV.22 : Courbes de puissances après application du Profil 1 ..................................... 116 Figure IV.23 : Tension du bus continu et sa référence après application du Profil 1 ............ 116 Figure IV.24 : Etat de charge du pack de batteries après application du Profil 1 (en bleu : stockage simple avec pack de batteries seul, en rouge : stockage hybride)........................... 116 Figure IV.25 : Courbes de puissances après application du Profil 2 ..................................... 117 Figure IV.26 : Tension du bus continu et sa référence après application du Profil 2 ............ 117 Figure IV.27 : Etat de charge du pack de batteries après application du Profil 2 (en bleu : stockage simple avec pack de batteries seul, en rouge : stockage hybride)........................... 117 Figure IV.28 : Courbes de puissances après application du Profil 3 ..................................... 118 Figure IV.29 : Tension du bus continu et sa référence après application du Profil 3 ............ 118 Figure IV.30 : Etat de charge du pack de batteries après application du Profil 3 (en bleu : stockage simple avec pack de batteries seul, en rouge : stockage hybride)........................... 118 Figure A.1.1 : Batterie au lithium-ion GS YUASA LIM30H............................................... 126 Figure A.1.2 : Principe de fonctionnement des accumulateurs au lithium ............................ 127 Figure A.1.3 : Vue éclatée d’un élément MP176065 de la société Saft ................................ 128 Figure A.2.1 : Différence entre un supercondensateur et un condensateur classique ............ 130 Figure A.2.2 : Etat déchargé d’un supercondensateur .......................................................... 131 Figure A.2.3 : d’un supercondensateur en charge ................................................................ 131 Figure A.2.4 : Etat chargé d’un supercondensateur ............................................................. 132 Figure A.2.5 : Etat d’un supercondensateur en décharge ..................................................... 132 Figure A.2.6 : Equilibrage avec résistances ......................................................................... 134 Figure A.2.7 : Equilibrage avec diodes zéner ...................................................................... 134 Figure A.2.8 : Elément Maxwell BCAP0010 ...................................................................... 136 Figure A.2.9 : Elément Epcos B49300-F1276-S ................................................................. 136 Introduction générale Introduction générale ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Introduction générale Bien qu’il soit considéré comme une source d’énergie incontournable dans la vie quotidienne des populations mondiales, l’utilisation du pétrole n’est pas sans conséquences ; celui-ci est classé comme le premier responsable de nombreux problèmes environnementaux actuels et du désastre écologique lié au réchauffement climatique de la planète. Bien que le pétrole soit utilisé dans plusieurs domaines, les transports occupent une place prédominante avec 68 % de la consommation globale [Kem 09]. Parallèlement à cette augmentation constante en carburant du parc automobile mondial, les transports sont jugés responsables de 34 % des rejets de CO2 [Rou 08]. Par conséquent, des recherches dans ce domaine s’avèrent nécessaires pour limiter l’accroissement de ces émissions voire les réduire. Plusieurs solutions ont été proposées. Elles peuvent être classées en deux grandes catégories : 1. La première consiste à améliorer les technologies existantes à savoir l’amélioration du rendement des moteurs thermiques, l’utilisation de carburant alternatif moins polluant et du post de traitement des émissions, la mise en place de normes de plus en plus restrictives (Euro1, …, Euro6 pour l’Europe), etc. Bien que l’amélioration des technologies existantes ait permis de réduire considérablement les émissions locales, il semble difficile de maîtriser les gaz à effet de serre, notamment les émissions de CO2, 2. La deuxième est basée sur l’utilisation des motorisations non conventionnelles, dites «propres». Prometteur pour la réduction des émissions de CO2, le véhicule électrique est clairement une solution de transport idéale et écologique. En revanche, la technologie de stockage à bord reste encore à améliorer : les faibles performances, l’autonomie limitée et le prix excessif des prototypes constituent pour le moment un réel frein au développement de cette solution qui implique notamment la mise en place des bornes de rechargement. L’utilisation d’organes de stockage dans un véhicule électrique est nécessaire. En effet, l’hybridation des dispositifs électrochimiques consiste à combiner deux ou plusieurs dispositifs (contenant au moins un organe de stockage) de manière à cumuler les avantages de chacun, tout en tenant compte de leurs propres spécifications [Pay 09]. Ces sources hybrides combinent donc par principe, les avantages spécifiques d’une énergie très élevée et d’une 1 Introduction générale ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– puissance importante disponible sur des durées appréciables. Elles permettent également de dissocier le dimensionnement en puissance moyenne et transitoire. Par rapport aux autres dispositifs électrochimiques comme la batterie ou le condensateur classique, un supercondensateur peut être un bon choix comme source auxiliaire (source de puissance instantanée) grâce à leur puissance spécifique élevée. Leur densité inférieure à celle des batteries avec un facteur moyen de dix [Pay 09] est compatible avec une large gamme d’applications qui a besoin de hautes puissances instantanées pendant de courtes périodes de temps. Dans ce mémoire, nous choisirons cet élément de stockage en vue d’une hybridation avec un pack de batteries au lithium-ion. Ces deux éléments doivent être rechargés régulièrement afin d’assurer la traction du véhicule. Le véhicule électrique n’est autre qu’un réseau. Plus important encore, un réseau de recharge électrique efficace sera la véritable innovation qui permettra ou non le succès du véhicule. Au parking ou au garage de la maison, le temps de recharge principal sera la nuit pour être plein le matin [Mes 07], ce qui devrait représenter environ 80 % des cas [Neg 11]. Par nature, les énergies renouvelables sont produites là où la nature le permet : le vent, le soleil et la chaleur souterraine doivent être utilisés en leur lieu naturel. Cela se traduit par des toitures solaires photovoltaïques, des champs d’éoliennes dans les plaines ventées, etc. Ces énergies, dites propres, demeurent une des solutions les plus efficaces pour la recharge des véhicules électriques. L’énergie solaire photovoltaïque désigne l'énergie récupérée et transformée directement en électricité à partir de la lumière du soleil par des panneaux photovoltaïques. Elle résulte de la conversion directe dans un semi-conducteur (le silicium, le CdTe, etc.) d'un photon en électron. Outre les avantages liés à l'absence de maintenance des systèmes photovoltaïques, cette énergie répond parfaitement aux besoins des sites isolés. Ce mémoire présente ainsi le dimensionnement et la modélisation d’un système de recharge hybride utilisant l’énergie photovoltaïque, permettant à un véhicule électrique d’architecture série, de se recharger dès qu’il se parque au garage de la maison ; et propose une stratégie de contrôle basée sur la platitude des systèmes dont l’application est sur la source hybride composée d’un pack de batteries considéré en tant que source d’énergie et d’un pack de supercondensateurs considéré comme source de puissance. 2 Introduction générale ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Dans le premier chapitre, nous rappellerons le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque et présenterons les différents facteurs pouvant affecter son fonctionnement. Du fait du caractère non linéaire de la caractéristique des panneaux photovoltaïques, nous signalerons la problématique du transfert du maximum de puissance afin de mettre en évidence des dispositifs MPPT (Maximum Power Point Tracking) qui permettent aux panneaux de fonctionner dans des conditions optimales et ainsi d’extraire le maximum de puissance. Une étude détaillée des batteries au plomb permettra à travers les contraintes de stockage d’énergie dans ce type d’accumulateurs de démontrer comment les traiter au mieux afin d’augmenter leur durée de vie. Dans le deuxième chapitre, nous présenterons les véhicules électriques ainsi que leurs principales configurations. Une étude sera consacrée aux différentes sources de stockage à bord. Un exposé des atouts des supercondensateurs permettra, de démontrer l’intérêt de leur association en vue de créer une source hybride. Enfin, les différentes topologies de recharge des sources de stockage seront présentées. Dans le troisième chapitre, nous présenterons la conception et la mise en œuvre d’un système de recharge hybride. Les modèles des différents composants du système seront présentés en détail. Différentes conditions d’éclairement permettront de montrer les performances du système et sa capacité à recharger les sources d’énergie embarquées à bord du véhicule même dans des conditions climatiques rigoureuses. Le quatrième chapitre sera consacré à la méthode de contrôle utilisée pour gérer les flots d’énergie dans le système multi-sources. Nous commencerons tout d’abord par des notions sur la platitude des systèmes différentielles. Puis, nous traiterons l’application de cette méthode sur la source hybride construite par l’hybridation d’un pack de batteries au lithiumion et un pack de supercondensateurs connectés au bus continu via des convertisseurs DC/DC réversibles en courant. Pour ce faire, nous développerons la modélisation du système, et démontrerons que le modèle obtenu peut être considéré comme « différentiellemet plat » et qu’il est alors possible de gérer les flots d’énergie à l’aide de trajectoires prédéfinies liées aux grandeurs énergétiques du système. Enfin, la mise en œuvre du stockage hybride et son intégration au système permettront de prouver l’intérêt de l’utilisation d’une source auxiliaire de puissance à travers l’état de charge final du pack de batteries avant et après introduction des supercondensateurs. Finalement, nous clôturons ce manuscrit par une conclusion générale et les perspectives de ce travail 3 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– I.1 Introduction Le solaire photovoltaïque reste, par nature, une source intermittente. Sa mise en œuvre implique donc, en parallèle, un complément d’approvisionnement en électricité produite durant les périodes ensoleillées. C’est pourquoi il faudra penser à disposer de systèmes autonomes avec stockage d’électricité intégré. Il s’agira le plus souvent de stockage électrochimique sous forme de batteries d’accumulateurs. Dans ce chapitre, une étude sur la production d’énergie solaire photovoltaïque sera détaillée, où nous exposons tout d’abord le fonctionnement des générateurs photovoltaïques (GPV). Nous rappelons ainsi, ses principales propriétés et caractéristiques courant-tension spécifiques, non-linéaires et présentant des points de puissance maximale dépendant du niveau d’éclairement et de la température des cellules. Ensuite, nous dressons une synthèse des différents algorithmes MPPT les plus courants permettant la recherche du point de puissance maximale. Enfin, nous présentons les systèmes d’approvisionnement à savoir le stockage électrochimique à l’aide de batteries d’accumulateurs, d’où Il s’agit de répondre aux questions suivantes : Quel type de batteries faut-il choisir ? Comment fonctionnent-elles ? Comment les traiter au mieux pour une meilleure rentabilité voire performance ?. I.2 Production de l’énergie électrique photovoltaïque I.2.1 Le rayonnement solaire Le soleil est à l’origine de toutes les énergies sur terre (à l’exception de l’énergie nucléaire). Le rayonnement solaire apporte à la terre de la chaleur et de la lumière. L’énergie solaire peut être utilisée de 3 façons [Nav 08]: 1) En utilisant directement la chaleur : on peut construire des bâtiments et des habitations en fonction des effets bénéfiques du soleil pour le chauffage en hiver, afin d’en profiter au maximum, 2) En transformant la lumière en électricité grâce aux capteurs photovoltaïques, 3) En transformant la chaleur en électricité grâce à des centrales électriques solaires par voie de haute température. L’énergie que nous recevons du soleil est intermittente : elle cesse la nuit et dans la journée, elle est fortement limitée par les nuages. Elle varie bien sûr suivant les régions, en fonction de l’ensoleillement annuel et de la latitude. Mais l’énergie du soleil peut être captée 5 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– dans n’importe quel endroit de la planète. L’énergie reçue à la surface de la terre s’appelle le flux solaire apporté par le rayonnement solaire. Vers 1672, Isaac Newton développa une théorie expliquant, jusqu'à un certain point, la nature de la lumière: ainsi, le soleil émet une multitude de très petites particules, les photons qui traversent l'atmosphère en ligne droite et à vitesse constante. Captées par exemple par la rétine des yeux, elles provoquent une sensation de clarté. Lorsqu'un rayon lumineux atteint la surface d'un corps lisse, les particules sont réfléchies, pour les unes, tandis que d'autres pénètrent dans le corps. La réflexion ressemble au rebondissement d'une balle en caoutchouc heurtant une vitre. L'impact à l'intérieur du corps contre un atome ou un électron peut être comparé à la collision de deux boules de billard. La théorie d'un flux de particules ne permit toutefois pas d'expliquer notamment, pourquoi les rayons lumineux parvenaient sans problème à pénétrer dans le corps. C'est la raison pour laquelle le physicien Huygens développa six ans après Newton, une théorie selon laquelle une source lumineuse émet des ondes qui ont la faculté de se superposer à d'autres. Le rayonnement solaire peut donc être considéré comme un flux de particules, mais aussi comme une onde. L'ensemble du rayonnement solaire, également dénommé "rayonnement global", peut être subdivisé en quatre composantes : a) Le rayonnement direct, venant du soleil en tant que lumière parallèle, est donc soumis aux lois de l'optique géométrique (il peut, de ce fait, être concentré au moyen de réflecteurs ou de lentilles), b) Le rayonnement céleste, diffusé par les particules de poussières, provenant de toutes les directions, c) Le rayonnement réfléchi, par l'environnement proche (places, murs, etc.), d) Le rayonnement absorbé par les composants gazeux de l’atmosphère. Cette absorption est due essentiellement à la vapeur d’eau, à l’ozone, au dioxyde de carbone et à degrés moindre à l’oxygène. 6 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure I.1 : Subdivision du rayonnement solaire [Boc 08] I.2.2 La cellule photovoltaïque I.2.2.1 Généralités La cellule photovoltaïque ou encore photopile est l’élément constitutif des modules photovoltaïques. Dans les conditions standard STC, la puissance maximale pour une cellule au silicium de 10 cm² serait d'environ 1.25 W. La cellule photovoltaïque élémentaire constitue donc un générateur électrique de très faible puissance insuffisant pour la plupart des applications domestiques ou industrielles. Les générateurs photovoltaïques sont, de ce fait, réalisés par association, en série et/ou en parallèle d'un grand nombre de cellules élémentaires. Ces groupements sont appelés modules, puis panneaux. La figure I.2 illustre un exemple d’association de cellule PV afin d’obtenir un panneau photovoltaïque. Figure I.2 : Association de cellules PV Une cellule photovoltaïque (PV) fonctionne selon le phénomène physique appelé «effet photovoltaïque» établissant une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée dépend de plusieurs facteurs, elle peut aller de 7 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 0,3 V à 0,7 V en fonction du matériau utilisé, de sa disposition ainsi que de la température et du vieillissement de la cellule [Eck 90]. Si une cellule n’est pas connectée à un circuit extérieur elle présente une tension nommée tension de circuit ouvert (V OC) fortement dépendante de la température ambiante notée Ta. D’autre part, le courant maximal PV est atteint lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées. On parle alors de courant de court-circuit noté ICC dépendant fortement du niveau d’éclairement noté G. I.2.2.2 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules photovoltaïque permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction PN a été formée. Figure I.3 : Principe d’une jonction PN Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont bombardés par les photons constituant la lumière; sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être " arrachés / décrochés ". Les électrons " décrochés " créent une tension électrique continue faible. Une partie de l’énergie cinétique des photons est 8 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ainsi directement transformée en énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque. La figure I.4 résume les étapes de production de l’électricité par une cellule photovoltaïque. Figure I.4 : Etapes de production d’électricité par une cellule photovoltaïque [Flè 07] I.2.2.3 Différentes technologies des cellules photovoltaïques Trois technologies principales de cellules photovoltaïques existent : a) Les cellules mono-cristallines Ces cellules sont les plus proches du modèle théorique [Aou 10] [Mao 05]. Elles sont composées d'un seul cristal divisé en deux couches, et permettent d'obtenir de hauts rendements, de l'ordre de 15 à 22 %. Figure I.5 : Cellules photovoltaïques mono-cristallines 9 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Cette technologie a les caractéristiques suivantes : Première génération de photopiles, Forme de plaquettes rondes, carrées ou pseudo-carrées, de surface bleu-gris uniforme, Rendement excellent de 15 % et jusqu’à 24 % en laboratoire, Méthode de production laborieuse et difficile, et donc, très chère, Nécessite une grande quantité d’énergie pour obtenir un cristal pur. b) Les cellules poly-cristallines Elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en plusieurs cristaux dont les orientations sont différentes. On les prépare en sciant en couches minces un bloc de silicium coulé. Elles ont un éclat brillant nacré bleu-gris (multicolore). Figure I.6 : Cellules photovoltaïques poly-cristallines Cette technologie a les caractéristiques suivantes : Coût de production moins élevé, Nécessite moins d'énergie, Rendement de 13 % et jusqu’à 20 % en laboratoire. c) Les cellules amorphes Ces cellules sont composées d'un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est disposé une fine couche de silicium (l'organisation des atomes n'est plus régulière comme dans un cristal). Elles ont une surface uniformément sombre. 10 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure I.7 : Cellules photovoltaïques amorphes Cette technologie a les caractéristiques suivantes : Rendement de seulement 6 % par module et de 14 % en laboratoire, Coût de production bien plus bas, Appliquées dans les petits produits de consommation : montres, calculatrices, mais peu utilisées dans le cadre des installations solaires, Elles ont l'avantage de mieux réagir à la lumière diffuse et fluorescente. Donc, elles sont plus performantes à une température élevée. I.2.2.4 Modélisation d’une cellule photovoltaïque Le modèle mathématique associé à une cellule se déduit à partir de celui d'une jonction PN. On y ajoute le courant Iph, proportionnel à l'éclairement, ainsi qu'un terme modélisant les phénomènes internes. Le courant I issu de la cellule s'écrit alors [Bec 11]: Où : Iph : photocourant, ou courant généré par l'éclairement [A] I0d : courant de saturation de la diode [A] Rs : résistance série [Ω] Rsh : résistance shunt [Ω] k : constante de Boltzmann (k = 1,38.10 -23 J/°K ) q : charge de l'électron (q = 1,602.10 -19 C) T : température de la cellule [°K] 11 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure I.8 : Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque La diode modélise le comportement de la cellule dans l'obscurité. Le générateur de courant modélise le courant Iph généré par un éclairement. Enfin, les deux résistances modélisent les pertes internes : - Résistance série Rs : modélise les pertes ohmiques du matériau. - Résistance shunt Rsh : modélise les courants parasites qui traversent la cellule. Idéalement, on peut négliger Rs.I devant V, puis travailler avec un modèle simplifié : Où représente le potentiel thermique (25 mV à 25 °C). I.2.2.5 Caractéristique courant - tension d’une cellule photovoltaïque Dans l'obscurité, la cellule photovoltaïque se comporte comme une jonction PN (diode). Dans ces conditions, on retrouve pour une cellule la caractéristique courant - tension d'une jonction PN. Soumis à un rayonnement lumineux, la cellule produit un courant photoélectrique. Ce courant déplace la caractéristique «diode» de la cellule solaire vers le haut, dans la direction positive; l’amplitude du déplacement est égale au courant photoélectrique. Donc, quand la cellule est illuminée, elle produit un courant d'autant plus élevé que l'éclairement est intense. Ce courant est proportionnel à l'éclairement. On retrouve donc la même caractéristique de la diode, mais décalée vers le haut d'un courant Iph (photocourant) correspondant à l'intensité de l'éclairement. La figure I.9 schématise la caractéristique non linéaire I (V) d’une cellule PV pour un éclairement et une température donnés, avec la présence d’un Point de Puissance Maximale (PPM) caractérisé par sa tension et son courant optimaux notés respectivement VOPT et IOPT. 12 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure I.9 : Caractéristique I(V) d’une cellule PV pour un éclairement et une température donnés [Rey 11] Le facteur de forme Le facteur de forme qui indique le degré d'idéalité de la caractéristique, soit le rapport : Le rendement On définit le rendement énergétique d'une cellule par le rapport entre la puissance maximum et la puissance incidente : Avec : G : éclairement [W/m²] S : surface active de la cellule [m²] PPM est la puissance maximale mesurée dans les conditions STC (Standard Test Conditions), c'est-à-dire sous un spectre AM1.5, une température de 25 °C et un éclairement de 1000 W/m². 13 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– I.2.3 Le générateur photovoltaïque I.2.3.1 La mise en série / parallèle La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension inférieure au volt typiquement liée à une tension de jonction PN. Pour produire davantage de puissance, plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module photovoltaïque complet (générateur d’énergie). Ainsi, la connexion en série de cellules identiques permet d’augmenter la tension de l’ensemble (figure I.12), tandis que la mise en parallèle permet d’accroître le courant (figure I.13). Le câblage série/parallèle est possible et souvent utilisé pour obtenir globalement un générateur PV aux caractéristiques souhaitées afin d’adapter théoriquement la production d’énergie photovoltaïque à la demande. Figure I.10 : Groupent de n cellules identiques en série Figure I.11 : Groupent de n cellules identiques en parallèle Figure I.12 : Caractéristique d’un groupement de n cellules identiques en série Figure I.13 : Caractéristique d’un groupement de n cellules identiques en parallèle 14 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– I.2.3.2 Influence de l’éclairement et de la température ambiante Comme mentionné précédemment, la caractéristique I = f (V) d’une cellule PV en mode générateur est directement dépendante de l’éclairement et de la température ambiante. La figure I.14 donne l’allure générale des caractéristiques électriques d’un générateur photovoltaïque de 75 Wc (Photowatt PW850) pour différents éclairements. Nous remarquons qu’à température donnée (typiquement 25 °C, température normalisée pour les fabricants) : - Le courant de court-circuit ICC varie proportionnellement avec l’éclairement G, - La tension de circuit ouvert VOC varie proportionnellement avec l’éclairement G. Figure I.14 : Caractéristique I-V du GPV PW850 en fonction de l’éclairement [Rey 11] Figure I.15 : Caractéristique I-V du GPV PW850 en fonction de la température ambiante [Rey 11] La température a également une influence sur la caractéristique du générateur PV. La figure I.15 présente la variation des caractéristiques d’un générateur PV de 75 Wc en fonction d’une température et un éclairement donnés. L’éclairement est fixé à 1000 W/m². Nous remarquons qu’à éclairement donné : - La tension à vide VOC décroît avec la température. Plus la température est élevée, plus la tension VOC est faible, 15 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Le courant de court-circuit ICC augmente avec la température. Cette hausse est nettement moins importante que la baisse de la tension VOC. L’influence de la température sur le courant ICC est très souvent négligée. I.2.3.3 Caractéristiques nominales d’un générateur photovoltaïque Le fabricant accompagne son module : - D’une fiche rendant compte des contrôles auxquels il a été soumis, - D’une fiche indiquant les caractéristiques du module notamment : Les caractéristiques physiques du module (poids, dimensions, surface, points de fixation...), Les courbes caractéristiques courant en fonction de la tension, dans les conditions de fonctionnement standard (STC), Quelques caractéristiques électriques. Les caractéristiques électriques sont : La tension de circuit ouvert : mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, VOC [V], L’intensité de court-circuit : mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, ICC [A], La puissance nominale, appelée puissance crête : puissance maximale mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard (STC), P max [W] ou [Wc], La tension de puissance nominale : tension correspondant au point de puissance maximale aux conditions de fonctionnement standard, VOPT [V], L’intensité de puissance nominale: intensité correspondant au point de puissance maximale aux conditions de fonctionnement standard (STC), I OPT [A]. I.2.4 Principes de la recherche du point maximal de puissance Dans un système photovoltaïque, la recherche du point de fonctionnement optimal est l’étape la plus importante et la plus complexe vu la forte dépendance de la caractéristique des cellules PV due à l’éclairement et de la température ambiante. Il est alors indispensable de trouver un dispositif permettant de fonctionner à tout moment suivant ce point de fonctionnement optimal. A cet effet, plusieurs méthodes ont été développées afin de 16 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– maximiser la puissance des panneaux. Ces différentes méthodes sont divisées en deux catégories : les méthodes indirectes et les méthodes directes. I.2.4.1 Les méthodes indirectes Les méthodes indirectes sont basées sur l'utilisation de bases de données regroupant les caractéristiques des panneaux photovoltaïques pour différentes conditions climatiques (éclairement, température ambiante…), mais aussi sur l’utilisation d’équations et fonctions mathématiques obtenues à partir de données empiriques afin de déterminer le point de puissance maximale. Parmi les méthodes indirectes souvent difficile à généraliser, on peut citer : - La méthode d’ajustement de courbe, - La méthode de la tension de circuit ouvert du générateur. a) La méthode d’ajustement de courbe Elle est basée sur la connaissance exacte de la caractéristique des panneaux PV à partir de laquelle on extrait des équations mathématiques permettant de connaitre le point de puissance maximale (MPP en anglais). Ainsi, les équations (I.5) et (I.6) permettent de retrouver le MPP à partir des paramètres a, b, c et d [Sal 06]. Avec Ppv, Vpv et VMPP représentent respectivement la puissance, la tension et la tension au point de puissance maximale des panneaux photovoltaïques. Les principaux inconvénients de cette méthode sont le nombre élevé d’itérations permettant d’obtenir le PPM et la nécessité de disposer d’une grande capacite de mémoire. L’obligation de connaitre avec précision les paramètres physiques des panneaux sont aussi un handicap puisque ces paramètres varient selon les conditions climatologiques et les fabricants [Sin 10]. 17 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– b) La méthode de la tension de circuit ouvert du générateur Cet algorithme, utilisé dans [Sch 82] est basé sur la tension du générateur PV au point de puissance maximale, qui est approximativement linéaire et proportionnel à sa tension de circuit-ouvert, VOC. La constante de proportionnalité, k1, dépend principalement de la technologie de fabrication, du facteur de forme et des conditions météorologiques. Le point de puissance maximale est calculé suivant l’équation (I.7), et la tension de fonctionnement est ajustée sur le point de puissance maximale. Bien que cette méthode soit apparemment simple, il est difficile de choisir une valeur optimale de k 1. Cependant, dans la littérature, le rapport k1 s’étend de 0.73 à 0.80 pour les modules PV poly-cristallins [Mae 84]. En considérant k1constant, on ne tient donc pas compte de l’influence de l’éclairement et de la température et encore moins du vieillissement des panneaux. Cette méthode souffre donc d’inexactitude mais présente l’avantage d’être simple et à bas prix [Sin 10]. I.2.4.2 Les méthodes directes Les méthodes directes sont des méthodes basées sur la variation des mesures de tension et de courant des panneaux PV. L’avantage de ces algorithmes est que la connaissance des caractéristiques des panneaux n'est pas exigée. Parmi les méthodes directes, on peut citer : - La méthode de Perturb & Observ (P&O) - L’incrément de conductance. a) La méthode Perturb & Observe (P&O) La méthode Perturb & Observe (P&O) est l’une des méthodes les plus employée. C'est une méthode itérative qui permet d'obtenir le point de puissance maximale du générateur photovoltaïque : on mesure les caractéristiques du panneau PV puis on induit une petite perturbation sur la tension (ou le courant) afin d’analyser la variation de puissance qui en résulte. Le point maximum est atteint lorsque dP pv/dVpv = 0. Faisant ceci, la tension de fonctionnement du générateur PV est perturbée par un petit incrément ΔVpv et le changement résultant ΔPpv de la puissance est mesuré. Si ΔP pv est positif, la perturbation de la tension de fonctionnement devrait être dans la même direction de l'incrément. Cependant, s’il ΔP pv est négatif, le point de fonctionnement du système obtenu s’éloigne de MPPT et la tension de fonctionnement devrait être dans la direction opposée de l'incrément. A partir de ces diverses 18 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– analyses sur les conséquences d’une variation de tension sur la caractéristique P pv (Vpv), il est alors facile de situer le point de fonctionnement par rapport au PPM, et de faire converger ce dernier vers le maximum de puissance à travers un ordre de commande approprié. Figure I.16 : Principe de la méthode Perturb & Observe [Cab 08] La figure I.17 présente le diagramme de l’algorithme P&O. Figure I.17 : Algorithme de la méthode Perturb & Observe [Cab 08] 19 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– b) L’incrément de conductance Le principe de cette méthode proposé dans [Hus 95] est basé sur l’annulation de la dérivée de la puissance par rapport à la tension (équations (I.8) et (I.9), figure I.18). Le terme à gauche de l’équation (I.9) représente au signe prés la conductance tandis que le terme à droite représente sa variation. Figure I.18 : Mise en évidence de dP/dV [Arr 07] L'avantage principal de cet algorithme est qu'il est adapté aux conditions climatiques instables. De plus, cette méthode ne présente pas de risques de divergence par rapport au point de puissance maximale [Arr 07]. La figure I.19 présente le diagramme de l’algorithme de l’incrément de conductance. 20 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure I.19 : Algorithme de l’incrément de conductance [Cab 08] I.2.5 Applications des systèmes photovoltaïques Le mode d’intégration de l’énergie photovoltaïque dans les systèmes électriques dépend de la nature du système considéré, selon qu’il est raccordé au réseau ou isolé. Dans chaque cas, le stockage de l’électricité produite à partir de la source renouvelable peut s’avérer nécessaire pour différentes raisons [Lab 06]. I.2.5.1 Les systèmes raccordés au réseau Le champ photovoltaïque est couplé directement au réseau électrique à l’aide d’un convertisseur continu/alternatif (DC/AC). Étant donné que l’interconnexion peut se faire sans besoin particulier d’éléments de stockage, ce réseau assure la fourniture à l’usager en cas de déficit de la production photovoltaïque. L’excédent de celle-ci peut y être injecté pour alimenter la maison durant la nuit ou pendant les jours sans soleil. En plus, il peut être racheté 21 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– à des tarifs compétitifs [Lab 06]. La figure I.20 représente un système PV connecté au réseau électrique. Figure I.20 : Exemple de la structure d’un système PV raccordé au réseau [Rey 11] I.2.5.2 Les systèmes isolés et autonomes C’est un système photovoltaïque complètement indépendant d’autre source d’énergie, qui alimente l’utilisateur en électricité sans être connecté au réseau électrique. Dans la majorité des cas, un système autonome exigera des batteries pour stocker l’énergie. Ils servent habituellement à alimenter les maisons en site isolé, sur des îles, en montagne ainsi qu’à des applications comme la surveillance à distance et le pompage de l’eau [Bek 10]. Comme l’indique la figure I.21 représentant un exemple de système PV autonome, la présence d’éléments de stockage est obligatoire pour assurer la fourniture à l’usager continuellement et même en cas d’absence potentielle de la production d’électricité. 22 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure I.21 : Exemple de la structure d’un système PV isolé et autonome [Rey 11] I.3 Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque I.3.1 Accumulateurs, piles et batteries : des performances en constante amélioration Les accumulateurs et les piles sont des systèmes électrochimiques servant à stocker de l’énergie. Ceux-ci restituent sous forme d’énergie électrique, exprimée en watt-heure [Wh], l’énergie chimique générée par des réactions électrochimiques. Ces réactions sont activées au sein d’une cellule élémentaire entre deux électrodes baignant dans un électrolyte lorsqu’une charge, un moteur électrique par exemple, est branché à ses bornes. L’accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible. Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne l’est pas. Le terme batterie est alors utilisé pour caractériser un assemblage de cellules élémentaires (en général rechargeables). Un accumulateur, quelle que soit la technologie utilisée, est pour l’essentiel défini par trois grandeurs. Sa densité d’énergie massique (ou volumique), en watt-heure par kilogramme, Wh/kg (ou en watt-heure par litre, Wh/l), correspond à la quantité d’énergie stockée par unité de masse (ou de volume) d’accumulateur. Sa densité de puissance massique, en watt par kilogramme [W/kg], représente la puissance (énergie électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l’unité de masse d’accumulateur. Son nombre de cycles 23 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– charge/décharge, caractérise la durée de vie de l’accumulateur. Jusqu’à la fin des années quatre-vingt, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l’alimentation de secours de centraux téléphoniques, etc.) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets, éclairage de secours, etc.). La technologie au plomb, connue plus communément sous le nom de batterie au plomb, est également qualifiée de système au plomb-acide. En effet, les réactions chimiques mises en jeu impliquent l’oxyde de plomb constituant l’électrode positive (improprement appelée cathode) et le plomb de l’électrode négative (anode), toutes deux plongées dans une solution d’acide sulfurique qui constitue l’électrolyte. Ces réactions tendent à convertir le plomb et l’oxyde de plomb en sulfate de plomb, avec formation d’eau. Pour recharger la batterie, ces réactions doivent être inversées par la circulation d’un courant électrique imposé. Les inconvénients relevés sur la technologie au plomb (poids, fragilité, utilisation d’un liquide corrosif) ont conduit au développement d’accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d’électricité restituée à la décharge) mais développant une force électromotrice moindre (différence de potentiel aux bornes du système en circuit ouvert). Leurs électrodes sont soit à base de nickel et de cadmium (accumulateur nickel-cadmium), soit à base d’oxyde de nickel et de zinc (accumulateur zinc-nickel), soit à base d’oxyde d’argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer (accumulateurs à l’oxyde d’argent). Toutes ces technologies utilisent une solution de potasse comme électrolyte. Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d’énergie massiques restent relativement faibles (30 Wh/kg pour le plomb, 50 Wh/kg pour le nickelcadmium) [Mat 05]. Au début des années quatre-vingt-dix, avec la croissance du marché des équipements portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergé : les accumulateurs nickel-métal hydrure et les accumulateurs au lithium. La première filière, mettant en jeu une électrode positive à base de nickel et une électrode négative constituée d’un alliage absorbant l’hydrogène – plongeant dans une solution de potasse concentrée, a permis d’atteindre une densité d’énergie massique de 70 à 80 Wh/kg. La seconde filière avait déjà fait l’objet de travaux vers la fin des années soixante-dix, dans la perspective de trouver des couples électrochimiques présentant de meilleures performances que les accumulateurs au plomb ou au nickel-cadmium employés jusque-là. Les premiers modèles ont ainsi été conçus avec une électrode négative à base de lithium métallique (filière lithium-métal). Cependant, cette 24 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– technologie s’est heurtée à des problèmes liés à une mauvaise reconstitution de l’électrode négative de lithium au cours des charges successives. C’est pourquoi, vers le début des années quatre-vingt, des recherches ont été faites sur un nouveau type d’électrode négative à base de carbone, utilisé comme composé d’insertion du lithium. La filière lithium-ion était née. Les industriels japonais se sont rapidement imposés en tant que leaders dans le domaine. Déjà fabricants d’équipements portables, ils ont considéré la source d’énergie comme faisant partie des composants stratégiques de ces équipements. C’est ainsi que Sony, qui n’était pas à l’origine fabricant d’accumulateurs, a décidé de mobiliser au cours des années quatre-vingt des ressources considérables afin de faire progresser la technologie et de la rendre industrialisable. En février 1992, Sony annonçait à la surprise générale le lancement immédiat de la fabrication industrielle d’accumulateurs lithium-ion. Ces premiers accumulateurs offraient des performances limitées (90 Wh/kg). Depuis, celles-ci se sont notablement améliorées (de 160 à plus de 180 Wh/kg en 2004), grâce d’une part aux progrès technologiques réalisés (diminution de la part inutile dans le poids et le volume des accumulateurs) et d’autre part à l’optimisation des performances des matériaux. Des densités d’énergie massiques de plus de 200 Wh/kg sont escomptées vers 2005 [Mat 05]. I.3.2 Les batteries au plomb Pour un usage autonome, le photovoltaïque, comme pour toute autre énergie intermittente, nécessite un système de stockage électrique permettant de la restituer, afin de satisfaire la demande de l’utilisateur. Les batteries au plomb, en raison de leur faible coût et de leur simplicité de mise en œuvre, sont pour l’instant les plus utilisées [Ben 12]. I.3.2.1 Constitution d’une batterie au plomb Un accumulateur de 2 V est l'unité de base d'une batterie au plomb. Il se compose notamment d'électrodes positives et négatives, d'un séparateur micro poreux et d'un électrolyte. Un élément de batterie de démarrage (technologie "plomb ouvert") comprend des plaques planes positives (2) et négatives (1) assemblées en alternance. Le nombre de plaques pour chaque polarité et leur surface sont des paramètres qui définissent la capacité de l'élément. Par exemple, l'électrode positive comporte ici 4 plaques en parallèle, reliées par un connecteur (4). Pour éviter les courts-circuits entre les plaques de polarité différente, un séparateur micro poreux isolant est placé entre ces plaques lors du montage (3). Les plaques 25 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– positives et négatives sont assemblées en faisceaux (6) et plongées dans une solution d'acide sulfurique et d'eau distillée. Chaque faisceau constitue ainsi un élément. Figure I.22 : Vue en coupe d'un élément au plomb ouvert (batterie de démarrage) [Dil 04] L'ensemble est contenu dans un bac (en polypropylène, PVC ou ABS) muni d'orifices en partie supérieure pour permettre le remplissage des éléments et les compléments en eau si nécessaire ainsi que pour l'évacuation des gaz produits. Les deux bornes en plomb raccordées aux faisceaux de plaques de chaque polarité, permettent le raccordement de la batterie au circuit extérieur. Figure I.23 : Vue éclatée d'une batterie de démarrage [Dil 04] 26 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– I.3.2.2 Principe de fonctionnement d’un accumulateur au plomb Le fonctionnement d’un accumulateur au plomb se base sur la réaction d'oxydoréduction suivante : PbO2 est l'électrode positive (cathode, pôle +) et Pb l'électrode négative (anode, pôle -), tant en charge qu'en décharge. Figure I.24 : Schéma de principe d’un accumulateur au plomb [Del 98] Afin d'obtenir la tension désirée aux bornes d'un élément, on connecte plusieurs cellules en série à l'intérieur du module ; par contre, si l'on désire augmenter la capacité et le courant, il faut connecter ces cellules en parallèle. Lors de la décharge, le plomb de l'anode s'oxyde en perdant deux électrons tandis que celui de la cathode en gagne deux lors de sa réduction. L'hydrogène apparu à l'anode et l'oxygène produit à la cathode se recombinent en eau (H2O). Ces réactions sont résumées par les formules suivantes : Pour obtenir une batterie de 12 V, il faut donc associer 6 cellules en série. Lors de la charge, ce sont les réactions inverses des précédentes qui apparaissent car celles-ci sont réversibles. L'eau est alors décomposée à chaque électrode, c'est-à-dire que l'oxygène réagit au pôle positif avec le plomb tandis que l'hydrogène réagit avec l'acide au 27 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– pôle négatif. La figure I.25 résume les variations des quantités de réactifs et de produits lors d'un cycle décharge/charge. Figure I.25 : Cycle décharge/charge d’un accumulateur au plomb [Del 98] Au début, lorsque la cellule est chargée, la tension est maximale et la gravité spécifique de l'électrolyte (notée GR SP sur la figure I.25) est maximale. Cette gravité spécifique représente la concentration de l'électrolyte (mélange eau/acide sulfurique) par rapport à l'eau pure qui est prise comme référence et possède une gravité spécifique valant 1. Ensuite, lors de la décharge, les réactifs Pb et PbO2 réagissent avec l'acide sulfurique et produisent de l'eau ainsi que du sulfate de plomb. La gravité spécifique de l'électrolyte diminue alors. Lorsque la cellule est déchargée, la tension a fortement chuté et la gravité spécifique est minimale. Enfin, le processus étant réversible, ces phénomènes se produisent en ordre inverse lors de la recharge. Si la charge se poursuit trop longtemps, soit au-dessus de 2,4V (la tension nominale d'une cellule chargée étant d'environ 2,1V), un autre phénomène apparaît : le gassing. Il s'agit en fait d'une électrolyse de l'eau au niveau des électrodes due au fait que l'oxygène et l'hydrogène ne peuvent plus réagir avec le plomb ou l'acide mais passent directement sous forme gazeuse. On trouve alors les réactions suivantes aux électrodes (le signe signifiant un dégagement gazeux) : 28 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– I.3.2.3 Différentes familles des batteries au plomb Actuellement deux grandes familles de batteries au plomb sont commercialisées : les batteries ouvertes et les batteries à recombinaison de gaz. Les caractéristiques de chaque famille sont citées dans le tableau I.1. Type de batterie au plomb Ouverte Electrolyte liquide gélifié absorbé (par le séparateur) Appellation anglo-saxonne flooded (ou vented) battery gel VRLA (ou sealed) battery VRLA (ou sealed) AGM separator battery Avantages À recombinaison de gaz • Durée de vie pouvant être importante (5 à 15 • Recombinaison => pas de perte en eau ans) • Technologie la moins • Très faible taux de dégagement de gaz chère • Consommation d'eau Inconvénients • Installation en locaux spécifiques • Plus faible durée de vie • Plus sensible à la température Tableau I.1 : Principales comparaisons des deux familles technologiques de la batterie au plomb [Dil 04] a) La batterie au plomb ouverte Il s'agit de la technologie associée aujourd'hui par de nombreux utilisateurs à la batterie de démarrage des véhicules, mais cette technologie s'emploie dans tous les domaines. L'adjectif "ouverte" désigne le fait que les productions de gaz (dioxygène et dihydrogène) inhérentes à l'accumulateur s'échappent naturellement par les orifices prévus sur le bac. Le dégagement de dihydrogène dans le lieu de stockage des batteries est source de danger, car son mélange avec l'air ambiant est potentiellement explosif à partir de 4 % en volume. Dans le cadre du stationnaire de secours, une installation en locaux spécifiques ventilés est obligatoire. Les batteries ouvertes produites aujourd'hui (constituées de grilles à fortes surtensions d'oxygène et d'hydrogène) sont souvent qualifiées de batteries "sans maintenance" ou "sans entretien", car la consommation d'électrolyte est si faible que la réserve d'électrolyte d'origine est suffisante pour assurer le bon fonctionnement de la batterie pendant toute sa durée de vie. 29 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– b) La batterie à recombinaison de gaz Les premières batteries à recombinaison de gaz sont apparues fin des années 1950. C'est la société SONNENSCHEIN qui introduisit cette nouvelle technologie, grâce à la fabrication d'un électrolyte gélifié. Puis dans les années 1970, la maîtrise des procédés d'absorption d'acide dans la fibre de verre a permis l'élaboration de séparateurs imbibés d'électrolyte : le marché de cette technologie à électrolyte immobilisé prenait son essor. Ce type d'électrolyte offre plusieurs avantages : - Il permet la formation de chemins gazeux facilitant le transfert rapide du dioxygène, qui suit alors un cycle interne : produit à l'électrode positive, sa diffusion vers l'électrode négative est optimisée (105 fois plus rapide qu'en électrolyte liquide) et il atteint l'électrode négative où il y est réduit (formation de molécules d'eau), - Il supprime quasiment le phénomène de stratification de l'électrolyte, - Il autorise le placement des batteries dans des locaux quelconques, dans n'importe quelle position (souvent horizontale, ce qui facilite l'accès aux bornes). I.3.2.4 Performances techniques Le tableau I.2 résume les principales données techniques des accumulateurs au plomb. Température de fonctionnement - 20 à 50 °C Energie 25/45 Wh/kg 60/120 Wh/dm3 Nombre de cycles profonds 300/1500 Puissance massique 80/150 W/kg Rendement Energétique : de 60 à 95 % Faradique : de 65 à 100 % 2 à 10 % par mois à 25 °C Auto-décharge Maintenance Impact environnemental Sécurité Surveiller le niveau d’eau pour les batteries ouvertes tous les 2 mois Sulfatation de l’électrolyte en cas de stockage prolongé Le plomb est toxique Acide sulfurique : corrosif Problèmes de surpression de l’hydrogène en cas de surcharge Tableau I.2 : Principales données techniques de la batterie au plomb [Lab 06] 30 Chapitre I : Production et Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– I.3.2.5 Contraintes de stockage de l’énergie photovoltaïque dans une batterie au plomb Pour augmenter la durée d’une batterie au plomb, tout en gardant un bon rendement, il faut considérer les contraintes ci-dessous pendant leur utilisation [Ach 99]: Tout d’abord, il est important d’installer les batteries dans un local frais et ventilé pour évacuer par siphonnage l’hydrogène plus léger que l’air (un mélange de 4 % d’H 2 dans l’air est détonnant). Les autres contraintes sont : Contraintes liées aux cycles de charge/décharge dues au cycle journalier, Contraintes liées aux décharges profondes (jusqu’à 60 % de sa capacité) et prolongées, Contraintes liées à l’immobilisation qui ne permettent pas l’homogénéisation de l’électrolyte (stratification due aux recharges successives sans production intense de gaz) et se traduisent par une concentration plus élevée en acide au fond des bacs, Contraintes liées à la maintenance, qui peut affecter de manière significative la fiabilité du système. Il est important que les usagers vérifient le bon état de leurs batteries, car le plus souvent la maintenance est leur charge. Les manipulations à effectuer concernent la remise à niveau de l’électrolyte avec de l’eau déminéralisée, et le nettoyage des bouchons, car des dépôts conducteurs peuvent entraîner des résistances de fuite entre les bornes. I.4 Conclusion A travers ce chapitre, nous avons dressé un état des lieux de la production et stockage d’électricité photovoltaïque. La problématique d’optimisation de la puissance fournit par le générateur photovoltaïque a été ainsi détaillée, nécessitant le recours à un étage d’adaptation associé à une commande de recherche du point de puissance maximale (MPPT). Nous avons rappelé aussi l’existence de plusieurs techniques permettant cette recherche, afin d’extraire le maximum de puissance. Nous avons pu trouver que dans les systèmes photovoltaïques autonomes, le moyen de stockage couramment utilisé est le stockage électrochimique. De plus, ce dernier devra respecter certaines contraintes notamment un bon rapport coût/performance, une grande fiabilité, une bonne sécurité, etc. Dans ce domaine, les batteries au plomb sont les plus répandues. 31 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– II.1 Introduction Depuis deux siècles, les émissions de certains gaz polluants liés aux activités humaines ont intensifié le phénomène naturel de l'effet de serre et conduit à un réchauffement climatique planétaire qui risque d'avoir d'importantes conséquences sur le climat et les écosystèmes. La communauté internationale s'est donc mobilisée pour limiter les concentrations atmosphériques des gaz à effet de serre, avec pour objectif de diviser par deux les émissions à l'échelle mondiale avant 2050 [Kem 09]. Sans émission de gaz et rejet de particules, le véhicule électrique apporte une réponse efficace et concrète pour diminuer l’empreinte environnementale des transports [Ric 10]. Pour ce faire, le stockage de l’énergie électrique semble être un point essentiel. Dans la première partie de ce chapitre, nous présentons l’historique de développement des véhicules électriques et leurs principales configurations. Dans la deuxième, les éléments de stockage susceptibles d’être utilisés dans ce type d’applications sont exposés, enchaînés par la présentation du besoin de découplage entre la puissance moyenne et transitoire. Enfin, nous abordons les différents moyens utilisés pour recharger les véhicules électriques. II.2 Les véhicules électriques : solution ultime du problème de CO2 Le véhicule électrique, tout comme le véhicule thermique, est dépendant d’une source ou d’une forme d’énergie pour fonctionner. Dans le véhicule thermique, le carburant de type essence et celui de type diesel sont les principales sources d’énergie provenant du pétrole qui, en brûlant, émet des particules de gaz à effet de serre. Dans le véhicule électrique, la forme d’énergie utilisée est, comme son nom l’indique, l’électricité. Figure II.1 : Dodge EV 33 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Il est important de connaître l’état actuel de la production d’électricité. Dans le monde, 39 % de l’électricité est produite à partir de charbon, 20 % à partir du gaz naturel, 16 % à partir d'énergie hydraulique, 16 % à partir de l’énergie nucléaire, 7 % à partir du pétrole et 2% à partir d’énergies renouvelables comme les éoliennes et les capteurs solaires [Beo 06]. Les émissions polluantes de ces centrales sont très nocives pour la planète et la vie des gens. En effet, « les centrales au charbon sont à l’origine de la majorité des émissions de mercure, de 86 % des émissions totales de SO2 et de 90 % des émissions de NOx » [Mil 04]. Une augmentation de la demande en électricité serait, sans aucun doute comblée par l’implantation de centrales au charbon, car ce dernier est un combustible peu cher et présent en grande quantité un peu partout sur la planète. Dans le cas échéant, les émissions de ces gaz toxiques augmenteraient proportionnellement en fonction de la demande en électricité. Figure II.2 : Centrale au charbon II.3 Historique de développement du véhicule électrique Le premier véhicule électrique a fait son apparition aux alentours de 1830. Son inventeur était Robert Anderson (un homme d’affaires écossais). Il s’agissait plutôt d’une carriole électrique [Sha 79]. Vers 1835, l’américain Thomas Davenport construisit une petite locomotive électrique. Vers 1838, l’écossais Robert Davidson arriva avec un modèle similaire qui peut rouler jusqu’à une vitesse de 6 km/h. Ces deux inventeurs n’utilisaient pas de batterie rechargeable. 34 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– En 1859, le français Gaston Planté inventa la batterie rechargeable au plomb-acide [Aie 94] qui a connu une amélioration par Camille Faure en 1881. La figure II.3 montre Thomas Parker assis dans un véhicule électrique, qui pourrait être le premier au monde (en 1884). Le petit véhicule fonctionnait avec une batterie non rechargeable et réussissait à parcourir un court trajet sur rail [Mah 05]. En 1891, l’américain William Morrison construisit le premier vrai véhicule électrique. Figure II.3 : Premier véhicule électrique à batterie rechargeable Figure II.4 : Premier vrai véhicule électrique en 1891 En 1896, "Le Riker électrique" d’Andrew Riker remporta une course automobile. En 1897, on apercevait les premiers taxis électriques dans les rues de New York. Figure II.5 : Le Riker électrique Figure II.6 : Véhicule électrique "La jamais contente" En 1899 en Belgique, une société construit "La Jamais Contente" le premier véhicule électrique à dépasser les 100 km/h (il atteignit les 105 km/h). Le véhicule en forme de torpille, était piloté par le belge Camille Jenatzy, et muni de pneus Michelin. 35 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Dès 1900, le véhicule électrique connait ses beaux jours. Plus du tiers des véhicules en circulation était électriques, le reste étant des autos à essence et à vapeur. En 1902, "La Phaeton de Wood" pouvait rouler 29 kilomètres à une vitesse de 22.5 km/h et coutait 2000 dollars. En 1912, la production des véhicules électriques était à son apogée. Mais l’introduction de "La Ford Model T à essence" en 1908 commençait à se faire sentir. "L’Anderson Electric Car Company" présenta son modèle en 1918 à Détroit. Figure II.8 : Véhicule d’Anderson Electric Car Company Figure II.7 : Wood phaeton 1902 Dans les années 1920, certains facteurs menèrent au déclin du véhicule électrique. On peut citer leur faible autonomie, leur vitesse trop basse, leur manque de puissance, la disponibilité du pétrole, la recharge d’énergie électrique [Mul 94], et leur prix deux fois plus élevé que les Ford à essence. En 1966, le congrès américain recommanda la construction de véhicules électriques pour réduire la pollution de l’air [Bau 09]. L’opinion publique américaine était largement favorable, et avec l’augmentation du prix de l’essence en 1973 (premier choc pétrolier : embargo de l’Organisation des Pays Exportateurs de Pétrole envers les Etats-Unis) le moment était bien là. Pourtant rien ne décolla vraiment. En 1972, Victor Wouk le parrain du véhicule hybride, construisit le premier véhicule hybride, "La Buick Skylark" de General Motors (GM). En 1974, "La Vanguard-Sebring CitiCar", qui ressembla beaucoup à un véhicule électrique de Golf, fit son apparition à "l’Electric Vehicle Symposium de Washington D.C". Elle peut roula sur 64 kilomètres à une vitesse de 48 km/h. 36 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure II.9 : Premier véhicule hybride en 1972 Figure II.10 : La Vanguard-Sebring CitiCar En 1976, le congrès américain adopta le "Electric and Hybrid Vehicle Research, Development, and Demonstration Act", qui avait pour but de favoriser le développement des nouvelles technologies de batteries, moteurs et composants hybrides. Dès 1988, le président de GM, Roger Smith, lança un fonds de recherche pour développer un nouveau véhicule électrique qui deviendra pour la suite "L’EV 1". Figure II.11 : L’EV 1 En 1990, l’Etat de la Californie vote le "Zero Emission Vehicle (ZEV)", un plan qui prévoyait que 2% des véhicules ne devraient avoir aucune émission polluante. Entre 1996 et 1998, GM produira 1117 EV1, dont 800 d’entre elles en location avec un contrat de 3 ans. En 1997, Toyota lança "La Prius", premier véhicule hybride commercialisé en série. 18000 exemplaires était vendus au Japon la première année de sa sortie d’usine. 37 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure II.12 : La Toyota Prius De 1997 à 2000, de nombreux constructeurs lancèrent des modèles électriques hybrides : la Honda EV Plus, la G.M. EV1, le Ford Ranger pickup EV, Nissan Altra EV, Chevy S-10 EV et le Toyota RAV4 EV. En 2002, GM et Daimler Chrysler poursuivaient le "California Air Ressourcées Board (CARB)" pour faire annuler la loi "Zero Emission Vehicle (ZEV)" de 1990 [Bau 09]. Le président américain George Bush était d’accord avec cette annulation. En 2003, en France, Renault fit une tentative avec la sortie de son véhicule hybride "Kangoo Elect’road", mais, abandonna la production après environ 500 véhicules. Entre 2003-2004, c’était la fin de l’EV1. GM va récupéra un par un tous les véhicules pour les détruire, et ce malgré plusieurs mouvements de protestation. Figure II.13 : Fin de l’EV 1 38 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– En 2006, Chris Paine sorti un documentaire intitulé "Who Killed the Electric Car ?" qui analysa la montée en puissance et le déclin du véhicule électrique à la fin des années 90. Figure II.14 : Préambule du documentaire "Who Killed the Electric Car ?" En mars 2009, Vincent Bolloré annonça la sortie pour 2010 de " La Pininfarina Blue Car". Sa location mensuelle était à 330 euros. Figure II.15 : La Pininfarina Blue Car II.4 Principales configurations des véhicules électriques Couramment, on distingue le véhicule tout électrique du véhicule électrique hybride. La différence dépend de l’utilisation d’une seule source d’énergie électrochimique (les batteries), ou de l’association de plusieurs sources d’énergie différentes afin d’assurer la traction du véhicule. 39 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– II.4.1 Les véhicules tout électriques Avec une présence importante au début de l’histoire de l’automobile, le véhicule tout électrique est réapparu ces derniers temps comme une solution potentielle au remplacement du véhicule conventionnel. Même s’il n’est pas encore en mesure de s’imposer sur le marché des véhicules particuliers, le véhicule tout électrique reste sans conteste une bonne solution, mais, à la condition de disposer d’une source d’énergie embarquée performante [Mes 07]. Les véhicules autonomes tout électriques utilisent la seul énergie électrique des batteries. Cette énergie est utilisée pour alimenter un ou plusieurs moteurs électriques de traction. La chaine de traction tout électrique comprend : - Des batteries (en bleu), - Un convertisseur (en violet), - Un moteur électrique (en jaune), - Un différentiel (en vert), - Des roues. Figure II.16 : Chaine de traction tout électrique [Mes 07] Les véhicules tout électriques possèdent de grands avantages par rapport aux véhicules traditionnels. En effet, ils : - Sont sans pollution environnementale locale, - Sont sans émission des gaz à effet de serre (en supposant que la production d’électricité est propre), - Sont sans dépendance des ressources fossiles, - Ont un bon rendement global de la chaine de traction, - Permettent un freinage électrique par récupération d’énergie, 40 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Ont une conduite plus souple, - Ont une conception simplifiée, - Sont silencieux. Le désavantage des véhicules tout électriques est que leur source d’énergie embarquée (les batteries) est caractérisée par une faible densité d’énergie engendrant ainsi un véhicule aux faibles performances avec une autonomie réduite. II.4.2 Les véhicules hybrides Pour palier au problème d’autonomie, d’autres solutions ont été investiguées. Ainsi, les constructeurs se sont orientés vers les véhicules électriques hybrides (VEH). Ils représentent un compromis entre le véhicule conventionnel à moteur thermique et le véhicule tout électrique (VTE). Leur but principal, est de diminuer la pollution des véhicules conventionnels et augmenter l’autonomie du VTE. Ils peuvent être vus comme une solution intermédiaire, en attendant que le problème d’autonomie des VTE soit résolu. Selon la Comité Technique 67 (Electric Road Vehicles) de la Commission Internationale d’Electrotechnique, « le véhicule électrique hybride est un véhicule dans lequel l’énergie de propulsion est fournie par deux ou plusieurs types de dispositifs de stockage, sources, ou convertisseurs d’énergie, où au moins un parmi eux fournit de l’énergie électrique » [Mes 07]. II.4.2.1 Différentes architectures des véhicules hybrides La complexité des véhicules électriques hybrides se situe dans le coût de leur conception [Mak 08]. Trois types de véhicules hybrides existent selon l’association des sources d’énergie, à savoir : l’hybride série, l’hybride parallèle et l’hybride mixte. a) L’hybride série Ce type de véhicules est équipé d’une propulsion électrique qui est assurée par un ou plusieurs moteurs électriques. Une source auxiliaire d’énergie permet d’effectuer les opérations de démarrage du véhicule. La source principale d’énergie assure l’alimentation de la motorisation électrique. Quand on a besoin d’énergie supplémentaire pour les reprises lors des dépassements ou dans les côtes par exemple, c’est la source auxiliaire d’énergie qui fournit ce supplément d’énergie. La source principale peut être un moteur thermique diesel ou à essence, mais, d’autres solutions sont envisagées, comme les batteries et la pile à combustible. La source auxiliaire d’énergie peut être des supercondensateurs. 41 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure II.17 : Véhicule hybride série [Mak 08] Les avantages du véhicule hybride série sont : - Autonomie, - Puissance comparable du véhicule thermique, - Batterie largement sous dimensionnée, - Fonctionnement en mode zéro émission, - Simplicité de la gestion d’énergie. Les inconvénients du véhicule hybride série sont : - L’importance du système de motorisation, - Masse élevée, - Coût élevée. b) L’hybride parallèle Le deuxième type de véhicules hybrides est le véhicule hybride parallèle. Ce type de véhicules combine deux propulsions (thermique et électrique). Des liaisons mécaniques entre l’arbre du moteur électrique et l’arbre du moteur thermique via une boite de vitesse, permet d’assurer la transmission de la puissance aux roues. 42 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure II.18 : Véhicule hybride parallèle [Mak 08] Les avantages du véhicule hybride parallèle sont : - Autonomie et performances, - Taux d’émission zéro en mode tout électrique, - Moins polluant. Les inconvénients du véhicule hybride parallèle sont : - Encombrement élevé du système de motorisation, - Masse élevée, - Coût élevée. c) L’hybride mixte Une nouvelle alternative qui fournit de bons rendements pour la technologie hybride est appelée l’hybride doux. L’idée est de faire quelques changements dans la conception classique. L’une de ces approches consiste à placer un petit moteur électrique (alimenté par une batterie par exemple) derrière le moteur thermique, et de le faire fonctionner comme un démarreur pour le moteur thermique, et comme un générateur pour charger la batterie. Les avantages du véhicule hybride mixte sont : - Autonomie élevée, - Le plus commercialisé, - Moins polluant. Les inconvénients du véhicule hybride mixte sont : - Complexité de la gestion d’énergie, - Complexité d’agencement entre ses composants, - Coût et masse élevés. 43 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Le tableau II.1 présente une comparaison faite par "Toyota" entre les trois architectures des véhicules hybrides. Economie du carburant Performances Arrêt Récupération de l’énergie Gestion de l’énergie Rendement total Accélération Régime permanent Série ++ +++ ++ ++ + + Parallèle ++ ++ + ++ ++ + Mixte +++ +++ +++ +++ ++ ++ + Défavorable ++ Supérieur +++ Excellent Tableau II.1 : Comparaison entre les différentes architectures des véhicules hybrides [Mes 07] II.4.2.2 Principaux modes de fonctionnement des véhicules hybrides La description des véhicules hybrides à partir de l’étude de l’organisation des organes permet de définir des modes de fonctionnement. Selon ce nouveau critère, il est possible de distinguer deux grandes catégories : le fonctionnement nécessitant une seule source d’énergie, et le fonctionnement dit hybride, utilisant simultanément les deux sources [Dub 02]. Ainsi, les principaux modes de fonctionnement des véhicules hybrides peuvent être résumés d'une manière générale par trois modes : le mode thermique pur, le mode électrique pur et le mode hybride [Cam 07]. a) Le mode thermique pur Correspond à une propulsion intégralement assurée par le moteur thermique. Les performances en termes de consommation et de pollution sont alors similaires à celles d’un véhicule conventionnel. Le moteur thermique n'étant pas réversible au cours du freinage, l'intégralité de l'énergie cinétique du véhicule est dissipée sous forme de chaleur dans les freins. 44 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– a) b) Figure II.19 : (a) : Traction en mode thermique pur, (b) : Freinage en mode thermique pur [Dep 02] b) Le mode électrique pur Correspond à une propulsion intégralement assurée par le moteur électrique. Le véhicule est alors dit ZEV (Zero Emission Vehicle) et les performances en termes de dynamique et d’agrément de conduite sont similaires à celles d’un véhicule tout électrique. Ce mode conduit à plus ou moins long terme à la décharge des batteries. Au cours du freinage, l'énergie cinétique du véhicule est récupérée par le moteur électrique pour recharger les batteries. a) b) Figure II.20 : (a) : Traction en mode électrique pur, (b) : Freinage en mode électrique pur [Dep 02] c) Le mode hybride Correspond à une propulsion assurée par les deux moteurs simultanément. Plusieurs cas de figures sont envisageables. En traction, l’énergie nécessaire à la propulsion du véhicule peut être délivrée soit par les deux moteurs, soit par le moteur thermique seul. Le moteur électrique est alors utilisé pour recharger les batteries en roulant. En freinage, le moteur électrique récupère une partie de l’énergie cinétique du véhicule ainsi qu’un supplément délivré par le moteur thermique. 45 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– a) b) c) Figure II.21 : (a) : Double propulsion, (b) : Simple propulsion, (c) : Freinage mode hybride [Dep 02] II.5 Les véhicules électriques et la source d’énergie embarquée Dans le cadre du transport automobile, les différentes sources d’énergie sont souvent caractérisées par leur puissance massique exprimée en kW/kg et leur énergie massique exprimée en Wh/kg. Ainsi le plan de Ragone permet de différencier aisément les différentes technologies de stockage de l’énergie. A titre d’illustration, la figure I.22 présente un exemple de domaine atteignable par différentes technologies. II.5.1 Source d’énergie irréversible Il s’agit en particulier du réservoir de carburant qu’on trouve habituellement dans les véhicules conventionnels. Bien que les carburants les plus utilisés dans les véhicules jusqu’ici soient l’essence et le gazole, on trouve d’autres sources alternatives déjà utilisées ou en cours de développement dans l’objectif de réduire les émissions de polluants ; par exemple, le gaz de pétrole liquéfié, l’hydrogène utilisé dans un moteur à combustion ou dans une pile à combustible, les biocarburants (éthanol, méthanol, butanol, huiles végétales, etc.). II.5.2 Source d’énergie réversible La réversibilité de la source d’énergie secondaire est un élément clé du gain en consommation des véhicules électriques, car elle permet notamment de récupérer l’énergie cinétique du véhicule lors des phases de freinage (alors qu’elle est généralement dissipée sous forme de chaleur dans un véhicule conventionnel). Plusieurs technologies sont envisageables. 46 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure II.22 : Plan de Ragone de quelques types d’énergie utilisés dans l’automobile [Kem 09] II.5.2.1 Le stockage mécanique sous forme d’énergie cinétique dans un volant d’inertie Ce type de stockage est caractérisé par un rendement énergétique élevé de l’ordre de 89 %, une durée de vie de l’ordre de 100 000 cycles de charge-décharge, et une recharge et décharge rapides. Par ailleurs, le volant d’inertie est considéré comme un stockeur écologique du fait qu’il n’utilise pas de produits chimiques nécessitant leur recyclage et en raison de sa vitesse importante, un volant d’inertie présente un danger potentiel en cas d’accident. Figure II.23 : Volant d’inertie utilisé dans les bus de Bâle [Des 08] 47 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– L’énergie stockée est limitée par la dimension et le régime de rotation maximal du volant. La limitation de puissance vient généralement de la machine électrique associée au volant. II.5.2.2 Le stockage pneumatique Ce type de stockage utilise de l’air comprimé dans un réservoir haute pression. Le problème de ce type de stockage, outre les contraintes en matière de sécurité, est le faible rendement des compresseurs et moteurs pneumatiques (entre 30 et 50 %). La capacité de stockage est limitée par le volume du réservoir et sa pression maximale. Figure II.24 : Réservoir d’air comprimé de la Tata MiniCat [Des 08] Figure II.25 : Tata MiniCat, véhicule à air comprimé [Des 08] II.5.2.3 Le stockage électrochimique a) Les batteries d’accumulateurs Le stockage réversible le plus répandu dans les véhicules électriques est aujourd’hui le stockage électrochimique dans des batteries. A cet effet, plusieurs technologies ont été testées, mais les plus utilisées sont : La technologie « Plomb-acide » est la technologie la plus commune. Elle se caractérise par sa robustesse et sa présence à faible coût lié à la production en masse, néanmoins, elle possède une puissance et une énergie spécifique médiocre due à son poids élevé. Par ailleurs, la présence du plomb constitue un handicap majeur de cette technologie d’un point de vue environnemental. 48 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– La technologie Nickel Métal-Hydrure (Ni-Mh) présente une énergie massique estimée à deux fois celle obtenue avec la technologie plomb. La durée de vie de cette batterie est compatible avec leur utilisation dans le domaine automobile. La technologie Ni-Mh est celle qui domine le marché des véhicules électriques aujourd’hui grâce au succès de la Toyota Prius qui l’a adoptée pour ses trois générations. La technologie Lithium-ion (Li-ion) possède de meilleures performances en termes de puissance et d’énergie massique. Elle présente une faible auto-décharge et a un impact environnemental plus faible grâce au rendement de recyclage de ses composants. Malgré ses bonnes performances, cette technologie souffre de son coût élevé estimé à environ 1000 $/kWh et nécessite une surveillance importante de son état (état de charge, température, etc.). Le tableau II.2 présente les ordres de grandeurs typiques pour les trois types de batteries les plus utilisées dans le domaine des véhicules électriques, en plus des supercondensateurs (Super-cap). Figure II.26 : Pack de batteries embarqué dans le Roadster de Tesla Motors [Des 08] Technologie de la batterie Energie massique [Wh/kg] Puissance massique [W/kg] Nombre de cycles à 80% de décharge Coût en [euro/kWh] Pb-Acide 40-50 140-250 800-1500 100-190 Ni-Mh 60-80 500-1400 500-2000 400-2000 Li-Ion 70-130 600-3000 800-1500 700-2000 Super-cap 2-20 2000-10000 > 100000 1700-2300 Tableau II.2 : Propriétés des trois technologies de batteries les plus utilisées dans les véhicules électriques [Kem 09] 49 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– b) Les supercondensateurs Un autre moyen de stocker l’énergie électrique à bord des véhicules électriques, est l’utilisation de supercondensateurs. Ce sont des stockeurs d’énergie électrique par polarisation d’une solution électrolytique. Leur durée de vie est notablement supérieure à celle des batteries, toutes technologies confondues. Comme le montre le tableau II.2, les supercondensateurs ont une puissance massique beaucoup plus élevée que celle des batteries. Un usage typique des supercondensateurs est alors la récupération d’énergie lors de freinages importants et l’assistance en puissance lors de fortes accélérations. Néanmoins leur densité énergétique est beaucoup plus faible, rendant quasiment impossible leur utilisation pour une propulsion en mode tout électrique dans une utilisation hybride [Kem 09]. Figure II.27 : Système MITRAC utilisant les supercondensateurs pour le stockage de l’énergie [Gal 04] II.6 Sources hybrides : découplage du besoin en énergie et en puissance Selon la taille du véhicule considéré et les modes réalisées, nous distinguons des besoins en puissance variables. Afin de choisir la source électrique la mieux adaptée, ces besoins peuvent être quantifiés par le rapport P/E entre puissance crête et quantité d’énergie demandées [Laj 06]. De façon relativement générale, une source électrique hybride se compose d’une source principale dimensionnée en puissance moyenne et d’un organe de stockage dimensionné en puissance transitoire [Aya 04] chargé d’absorber et de restituer la différence de puissance entre le régime maximum et le régime moyen. La distinction entre source d’énergie et source de puissance repose sur un découplage des constantes de temps relatif à l’utilisation de l’énergie emmagasinée. L’emploi du diagramme de Ragone présenté sur la 50 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– figure II.22 parait très intéressant. Sur ce diagramme, les performances en termes ’’d’énergie massique / puissance massique’’ sont reportées pour différentes sources électriques. L’étude des supercondensateurs doit être faite en tenant compte de l’application visée. L’analyse des besoins en puissance s’avère donc nécessaire. D’une manière générale, la propulsion d’un véhicule nécessite une puissance variable, caractérisée par un régime crête pendant les phases d’accélération et de freinage, mais aussi par un besoin relativement constant pendant le roulage à la vitesse de croisière. Plus particulièrement, les niveaux de puissance et leurs durées dépendent essentiellement du type de véhicule (sa forme, son poids et ses dimensions), de son architecture, de la nature des sources électriques présentes à bord et du profil de mission [Laj 06]. II.7 Différents moyens de recharge des véhicules électriques L’obligation pour une utilisation régulière des véhicules électriques, demande absolument une recharge sollicitée par leur autonomie limitée qui pose des problèmes techniques d’électronique de puissance, surtout pour sa mise en œuvre rapide ainsi qu’une standardisation des prises qu’implique un accès universel et sécurisé dans l’espace public. II.7.1 L’échange de batteries C’est une solution proposée pour pallier les temps de recharge des batteries très longs sans l’infrastructure (ou la technologie) adaptée pour une recharge rapide. Le principe serait d’avoir des stations de services proposant d’échanger la batterie du véhicule vidée par une batterie équivalente complètement rechargée. Dans ce système économique, le client ne serait pas le propriétaire des batteries de son véhicule mais il les louerait. Évidemment cette solution demanderait une standardisation de l’emplacement et de la forme des batteries. La figure II.28 montre dans l’action, l’échange du pack de batteries au lithium-ion embarqué dans le Roadster de Tesla Motors (un petit véhicule de sport à deux places). 51 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure II.28 : Installation du pack de batteries au lithium-ion à bord du Roadster de Tesla Motors [Bam 09] II.7.2 La recharge par induction Le géant constructeur automobile "Nissan" a développé, en collaboration avec la société "Showa Aircraft Industry", un nouveau système pour recharger sans contact des batteries de voitures électriques lorsque celles-ci sont en stationnement dans des parkings spécialement aménagés. Le principe, relativement simple, utilise électromagnétique entre deux bobines. Figure II.29 : Schéma présentant le chargeur à induction [Tan 11] 52 l’induction Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– II.7.3 Les chargeurs branchables La commodité des chargeurs branchables s’oriente vers plusieurs topologies pour la recharge des véhicules électriques. Parmi elles on peut citer : - La structure For Grid To Vehicle (G2V), - La structure For Home To Vehicle (H2V). II.7.3.1 La structure For Grid To Vehicle La figure II.30 illustre les flux d’énergie à travers un chargeur AC/DC embarqué, du réseau électrique vers le véhicule : le mode G2V, ou, du véhicule vers le réseau électrique : le mode V2G. Ces chargeurs utilisent une prise de courant domestique standard à trois broches [Bec 11]. G2V Point de recharge Chargeur AC/AC Chargeur AC/DC Batteries V2G Figure II.30 : Flux d’énergie pour les modes G2V et V2G Le chargeur AC/DC convertit le courant alternatif électrique distribué par le réseau en courant continu nécessaire pour recharger les batteries. Dans ce cas, deux types de recharges existent selon la puissance disponible (puissance de recharge) à la sortie de la prise de courant. 1) Une recharge lente correspondant à une puissance de 3.6 kW, par une alimentation en 240V - 15A, 2) Une recharge rapide évaluée à 12 kW, par une alimentation en 400V - 30A. Pour le mode fonctionnement G2V, le point de recharge AC/AC est utilisé pour adapter la puissance, la tension et le courant selon la demande du chargeur embarqué (recharge lente ou rapide) [Bec 11]. Dans le cas contraire (mode de fonctionnement V2G), le chargeur AC/AC est en charge d’adapter la fréquence et la tension exigés par le réseau électrique [Bec 11]. 53 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– La figure II.31 expose la Toyota Prius hybride rechargeable (un véhicule combinant un moteur thermique et un autre électrique) et son environnement de recharge. Figure II.31 : La Toyota Prius hybride rechargeable et son environnement de recharge [Ove 11] II.7.3.2 La structure For Home To Vehicle L’utilisation d’un point de recharge autonome fonctionnant avec les énergies renouvelables demeure une autre solution pour recharger les véhicules électriques. Dans le cas ou la recharge sera au garage ou dans le parking de la maison (ce qui représente 80 % des cas), deux modes de fonctionnement apparaissent : de la maison vers le véhicule : le mode H2V, ou, du véhicule vers la maison : le mode V2H. La figure II.32 montre les flux d’énergie pour un point de recharge autonome utilisant l’énergie solaire photovoltaïque produite par des panneaux installés sur le toit d’une maison. H2V Chargeur AC/DC Chargeur DC/DC Batteries maison Batteries Chargeur DC/AC V2H Figure II.32 : Flux d’énergie pour les modes H2V et V2H 54 Chapitre II : Place des batteries et supercondensateurs dans les véhicules électriques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Parmi les grands projets, le géant constructeur automobile américain "Ford" et son partenaire "SunPower", viennent d’annoncer que désormais, les acheteurs de la Focus électrique pourront installer sur leur maison des panneaux solaires de toit, afin de recharger leur véhicule à domicile. L’énergie recueillie aura un impact sur l’utilisation domestique d’une part, et selon Ford, elle alimentera la Focus électrique pour 1600 kilomètre par mois d’autre part [Noi 11]. II.8 Conclusion Toutes les architectures présentées dans ce chapitre doivent atteindre des performances élevées en termes d’accélération et de roulage. En d’autres termes, l’avenir des véhicules électriques exige des éléments de plus en plus énergétiques, capables de fournir des pics de puissance, et ayant des durées de vie intéressantes. L’essor de cette technologie est lié directement à la source d’énergie électrique à bord. Dans ce chapitre, nous avons présenté aussi les sources d’énergie électrique qui peuvent être envisagées pour des applications véhicule électrique. Les paramètres clés pour le choix entre ces différentes sources d’énergie sont, en plus des performances en termes de densité de puissance et d’énergie, le coût, la fiabilité ainsi que la sécurité d’utilisation. Dans ce cas, les accumulateurs au lithium-ion présentent des énergies spécifiques élevées qui contribuent à augmenter l’autonomie des véhicules tout électriques, ainsi que des puissances massiques importantes favorables pour ceux hybrides. Le concept de recharge d’un véhicule électrique est sa recharge lorsque l’on s’arrête et non pas de s’arrêter pour se recharger. A la différence des véhicules thermiques, les différents types d’infrastructures de rechargement permettront l’adéquation entre la recharge complète du véhicule d’une part, et les habitudes de l’utilisateur liées au lieu d’arrêt d’autre part. 55 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.1 Introduction Dans le deuxième chapitre, nous avons mis en évidence les limites des batteries en termes de densités de puissance et d’énergie, mais également en terme de durée de vie cyclique, entrainant un surdimensionnement à bord du véhicule électrique. Pour remédier à ce problème, et en scindant les propriétés du stockage en deux (sources d’énergie et de puissance), l’hybridation « batteries / supercondensateurs » présentent des propriétés très intéressantes. Dans le présent chapitre, nous proposons une solution d’adaptation quant à la recharge des éléments du système de stockage hybride embarqué dans un véhicule à architecture série. Pour ce faire, nous présentons tout d’abord, et grâce à des choix adaptés, le dimensionnement et la modélisation du système de recharge hybride. Enfin, nous évaluons les performances de ce système en fonction de différentes conditions climatiques, tout en supposant que les éléments de stockage sont complètement déchargés. Les résultats obtenus sont par utilisation du logiciel de calcul scientifique MATLAB. III.2 Dimensionnement et modélisation du système de recharge hybride III.2.1 Présentation du système de recharge Le schéma de principe du système de recharge des sources d’énergie embarquées dans le véhicule est représenté sur la figure III.1. Il est constitué de deux parties principales : Un système photovoltaïque autonome, Un système interdépendant embarqué dans le véhicule. Flux d’énergie Chargeur DC/DC Chargeur DC/DC Batteries Supercondensateurs Batteries maison Figure III.1 : Schéma de principe du système de recharge hybride 57 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.2.2 Dimensionnement énergétique du système de recharge Avant toutes études d’un système, le dimensionnement de ses composants est une étape déterminante afin d’assurer un bon fonctionnement même dans des situations instables. Pour cela, le choix de ces composants devra être effectué suivant une méthodologie bien précise. III.2.2.1 Dimensionnement du système photovoltaïque autonome Le système photovoltaïque (PV) autonome est composé dans son ensemble : - D’une source photovoltaïque, - D’un convertisseur continu/continu (DC/DC) supposé parfait, permettant d’alimenter le bus continu (Bus DC) et de poursuivre le point de puissance maximale, - D’un moyen de stockage électrochimique (pack de batteries au plomb-acide), - D’un système de contrôle pour la charge du moyen de stockage et l’acquisition des différentes grandeurs physiques du système. Contrôleur Moyen de stockage Source PV = = Convertisseur DC/DC Bus DC Figure III.2 : Synoptique du système PV autonome avec stockage d’énergie Le dimensionnement ayant une incidence sur le prix, la qualité et la pérennité du système PV en site isolé, il constitue donc une étape cruciale lors de la mise en place du système. Il dépend : De l’éclairement sur le site au cours de l’année, De l’énergie à stocker dans le pack de batteries, Du rendement énergétique de l’ensemble des composants constituant le système. Le dimensionnement des composants du système PV devra suivre les étapes suivantes : - Dimensionnement de la source PV, - Dimensionnement de l’élément de stockage. 58 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– a) La source PV Installée sur le toit de la maison, la source PV a été dimensionnée afin de satisfaire la production d’énergie à stocker dans le pack de batteries. L’évaluation des besoins énergétiques Ec donnent pour : Le pack de batteries au lithium-ion : 17 kWh/j Le pack de supercondensateurs : 0.3 kWh/j Une énergie Ec = 17.3 kWh/j à stocker L’énergie Ep à produire par la source PV se calcul en fonction des besoins énergétiques par la relation suivante : Le coefficient k1 tient compte des facteurs suivant : - L’incertitude météorologique, - L’inclinaison non corrigée de la source suivant la saison, - La perte de rendement de la source dans le temps (vieillissement et poussières), - Les pertes dans les câbles et connexions. Pour les systèmes avec pack de batteries, le coefficient k1 est en général compris entre 0,55 et 0,75. La valeur approchée que l’on utilise pour ce type de systèmes sera souvent de 0,65 [Tch 09]. A partir de cette valeur, on obtient alors une énergie journalière à produire E p par la source PV de 26.615 kWh. - Le dimensionnement de la source PV se fait suivant la formule suivante : Avec : Pc : puissance crête de la source [Wc] Ep : énergie journalière produite [Wh/j] te : nombre d’heures d’éclairement équivalentes par jour [h/j] - La surface totale des panneaux installées sur le toit de la maison peut être calculée par : 59 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Où : η : rendement du panneau PV G : rayonnement moyen quotidien [Wh/m2/j] - Le nombre total des panneaux constituant la source PV est donnée par : Où Spv est la surface d’un seul panneau, et elle vaut 0.3839 m2. L’énergie solaire journalière G reçue par la ville de Biskra au mois de Décembre (le mois le plus défavorable) est de 2712 Wh/m2/jour [Cap 85], ce qui correspond à 2.712 heures d’éclairement par jour. La puissance de la source PV est donc : Pc = 9813.9 Wc. En considérant les caractéristiques du panneau (ou module) PV AEG-40 mentionnées dans le tableau III.1, la surface totale de la source Stot et le nombre total de panneaux Ntot nécessaires au système PV sont : Stot = 98.14 m2 et Ntot = 256 panneaux solaire. Les caractéristiques de la source PV sont résumées dans le tableau III.2. Puissance Maximale [W] Tension de circuit ouvert [V] Courant de court circuit [A] Tension optimale [V] Courant optimal [A] Rendement [%] 38.39 22.4 2.41 17.45 2.2 10 Tableau III.1 : Caractéristiques du panneau PV AEG-40 [Mao 05] Puissance de la source [Wc] Surface totale de la source [m2] Nombre des panneaux 9813.9 98.14 256 Tableau III.2 : Caractéristiques de la source PV Au point de puissance maximale, la valeur de la puissance est de 38.39 Wc. Pour obtenir 9813.9 Wc, nous disposerons de 256 modules (par exemple : 4 en parallèle et 64 en série, figure III. 3). 60 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Ipv Cellule 1 Vpv Cellule 64 Figure III.3 : Configuration de la source PV b) Le moyen de stockage Le dimensionnement du pack de batteries requiert une attention particulière afin d’augmenter sa durée de vie et par la même occasion diminuer le coût global du système. La capacité nominale du pack de batteries est donnée par la relation (III.5) [Boi 05]. CBM = Avec : CBM : capacité nominale du pack [Ah] EBM : énergie journalière à stocker dans le pack [Wh/j] Aut : nombre de jours d’autonomie VBMn : tension nominale du pack [V] DBM : profondeur de décharge du pack [%] Nous souhaitons obtenir une autonomie de 1 jour avec une tension de 240 V, une profondeur de décharge de 60 % et une énergie journalière à stocker de 17.3 kWh. Dans ce cas, le pack de batteries au plomb-acide devrait avoir une capacité de 120,14 Ah. 61 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Pour déterminer le nombre de batteries constituant le pack, la batterie au plomb-acide YUASA NP65-12 est sélectionnée. Les caractéristiques de cette batterie sont regroupées dans le tableau III.3. Capacité nominale [Ah] Tension nominale [V] Densité d’énergie massique [Wh/kg] Densité d’énergie volumique [Wh/l] 65 12 40 75 Tableau III.3 : Caractéristiques de la batterie Yuasa NP65-12 [Bec 11] Les équations (III.6), (III.7) et (III.8) permettent de calculer le nombre des batteries en série, NBMS, en parallèle, NBMP, et total NBMTOT. Où : Vbmn : tension nominale d’une seule batterie [V] Cbmn : capacité nominale d’une seule batterie [Ah] Les caractéristiques du pack de batteries au plomb-acide sont regroupées dans le tableau III.4. Tension Capacité Profondeur Nombre Nombre Nombre du du pack de des des des pack [kWh] décharge batteries batteries batteries [V] du pack en série en [%] parallèle 240 17.3 60 20 2 40 Poids du pack [kg] Volume du pack [l] 433 231 Tableau III.4 : Caractéristiques du pack de batteries au plomb-acide 62 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– iBM YUASA NP65-12 YUASA NP65-12 Batterie 1 vBM YUASA NP65-12 YUASA NP65-12 YUASA NP65-12 YUASA NP65-12 Batterie 20 Figure III.4 : Configuration du pack de batteries au plomb-acide III.2.2.2 Dimensionnement du système interdépendant embarqué dans le véhicule Le système interdépendant utilisé dépend de l’état charge final du pack de batteries au plomb-acide. Ce système est constitué d’un : - Convertisseur continu/continu (DC/DC) supposé parfait, - Système de stockage hybride constitué d’un pack de batteries au lithium-ion et d’un pack de supercondensateurs, - Système de contrôle pour la charge du système de stockage hybride et l’acquisition des différentes grandeurs physiques du système. Pack de batteries au lithium-ion Contrôleur Pack de batteries au plomb-acide du système PV = Pack de supercondensateurs = Convertisseur DC/DC Bus DC Figure III.5 : Synoptique du système interdépendant embarqué dans le véhicule Il est évident qu’une demande importante du véhicule diminuera l’énergie accumulée dans ses éléments de stockage. Pour recharger à nouveau ces éléments, il faut disposer d’un système capable de transférer le maximum d’énergie depuis la source de recharge vers le véhicule. 63 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Le dimensionnement du système interdépendant passe par le : - Dimensionnement du convertisseur DC/DC, - Dimensionnement du système de stockage hybride. a) Le convertisseur d’énergie Le convertisseur DC/DC est un hacheur buck ; il permet d’alimenter le bus continu et recharger les sources d’énergie embarquées dans le véhicule à partir du pack de batteries au plomb-acide. Les interrupteurs utilisés sont des transistors MOS et des diodes Schottky. iBM Pack de batteries au plomb-acide vBM K iDC L D C vDC Bus DC Figure III.6 : Convertisseur DC/DC buck utilisé pour la recharge des éléments du système de stockage hybride Calcul des composantes L et C du convertisseur Le calcul des composants L et C se fait grâce aux expressions suivantes [Dao 10]: Pour : f = 20 kHz, = 216 V, ΔIBMmax = 2%.IBM [A] et ΔVDC = 5%. obtenons : 64 [V], nous Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– b) Le système de stockage hybride Le pack de batteries au lithium-ion Les nouveaux véhicules électriques seront équipés de batteries au lithium-ion en ce sens qu’elles possèdent par rapport aux autres technologies de batteries de meilleures performances en termes de puissance et d’énergie massiques. Elles présentent aussi une faible auto-décharge et ont un impact environnemental plus faible. La capacité nominale du pack de batteries est donnée par la relation (III.11). CBV = Avec : CBV : capacité nominale du pack [Ah] EBV : énergie journalière à stocker dans le pack [Wh/j] AutV : nombre de jours d’autonomie VBVn : tension nominale du pack [V] DBV : profondeur de décharge du pack [%] Dans le cas en question, pour une énergie stockée de 17 kWh sous une tension de 216 V et une profondeur de décharge de 90 %, la capacité que devrait avoir le pack de batteries au lithium-ion pour une autonomie de 1 jour serait CBV = 87.45 Ah. Pour déterminer le nombre de batteries constituant le pack, la batterie au lithium-ion GS YUASA LIM30H est sélectionnée. Les caractéristiques de cette batterie sont regroupées dans le tableau III.5. Capacité nominale [Ah] Tension nominale [V] Densité d’énergie massique [Wh/kg] Densité d’énergie volumique [Wh/l] 30 3.6 51 118 Tableau III.5 : Caractéristiques de la batterie GS YUASA LIM30H [Ino 07] Les équations (III.12), (III.13) et (III.14) permettent de calculer le nombre des batteries en série, NBVS, en parallèle, NBVP, et total NBVTOT. 65 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Où : Vbvn : tension nominale d’une seule batterie [V] Cbvn : capacité nominale d’une seule batterie [Ah] Les caractéristiques du pack de batteries au plomb-acide sont regroupées dans le tableau III.6. Tension Capacité Profondeur Nombre Nombre Nombre Poids Volume du du pack de des des des du du pack [kWh] décharge batteries batteries batteries pack pack [V] du pack en série en [kg] [l] [%] parallèle 216 17 90 60 3 180 334 Tableau III.6 : Caractéristiques du pack de batteries au lithium-ion iBV YUASA LIM30H YUASA LIM30H YUASA LIM30H Batterie 1 vBV YUASA LIM30H YUASA LIM30H YUASA LIM30H YUASA LIM30H YUASA LIM30H YUASA LIM30H Batterie 60 Figure III.7 : Configuration du pack de batteries au lithium-ion 66 145 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Le pack de supercondensateurs Le dimensionnement d’un pack de supercondensateurs consiste à déterminer le nombre d’éléments qu’il faut placer en série, NS, et en parallèle, NP, afin de faire face aux fortes sollicitations [Han 08]. Le modèle équivalent du pack de supercondensateurs est formé d’une capacité équivalente CSC en série avec une résistance équivalente RSC [Bar 04] [Han 08] [Lac 04] comme montré dans la figure III.8. Les équations allant de (III.15) à (III.18) relient les grandeurs électriques du pack aux grandeurs au niveau du condensateur élémentaire. Figure III.8 : Modèle d’un pack de supercondensateurs L’énergie maximale transférée par l’élément de stockage Emax_transf est la différence entre son état d’énergie maximal Emax et minimal Emin. Elle est liée à la tension à vide maximale VSC_max et VSC_min minimale du pack par l’équation (III.19). 67 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Le nombre de supercondensateurs élémentaires Nélem nécessaires pour fournir la demande d’énergie maximale est ainsi donné par l’équation (III.20). On désigne par kp, la profondeur de décharge définie par le rapport entre la tension minimale et maximale d’un élément. Nous avons sélectionné la cellule de supercondensateur BOOSTCAP des technologies MAXWELL notamment le BCAP2000 P270 dont les caractéristiques sont résumées dans le tableau III.7. Célem [F] Vélém_max [V] Rélem [Ω] Poids [kg] 2000 2.7 0.00035 0.36 Tableau III.7 : Caractéristiques d’une cellule supercondensateur de type BCAP2000 P270 [Han 08] Pour une énergie maximale transférée de 0.3 kWh et pour une profondeur de décharge de 0,5 [Han 08], le nombre de supercondensateurs élémentaires, Nélem, est égal à 198 éléments. D’autre part, la puissance aux bornes du pack donnée par l’équation (III.21), nous permet de calculer le courant élémentaire maximal correspondant à la puissance maximale de 60 kW. Ayant trouvé le courant élémentaire maximal égal à 114 A, nous passons à calculer le nombre d’éléments supercondensateurs en série, NS, et le nombre supercondensateurs en parallèle, NP, en utilisant les équations (III.22) et (III.23). 68 d’éléments Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Pour Vélem_max = 2.7 V, les différentes caractéristiques du pack de supercondensateurs sont regroupées dans le tableau III.8. CSC [F] RSC [mΩ] VSC_max [V] ISC_max [A] Emax [kJ] Emin [kJ] Poids [kg] 363.64 1.925 89 684 1440.1962 360.1962 71.28 Tableau III.8 : Caractéristiques du pack de supercondensateurs iSC BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 Scap 1 vSC BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 BCAP2000 P270 Scap 33 Figure III.9 : Configuration du pack de supercondensateurs III.2.3 Modélisation du système de recharge La modélisation d’un système permet de mieux comprendre son fonctionnement et de bien privilégier le comportement de ses composants face à une sollicitation donnée, simplifiant ainsi le travail. Les différents composants du système ont été modélisés séparément, il s’agit dés alors de les intégrer pour avoir le système complet. III.2.3.1 Modélisation du système photovoltaïque autonome La modélisation du système photovoltaïque comprend la : - Modélisation de l’éclairement, - Modélisation de la source PV, - Modélisation du convertisseur DC/DC, 69 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Modélisation du moyen de stockage, - Modélisation du système de supervision. a) L’éclairement Le profil d’éclairement doit rendre compte de l’intensité d’éclairement du soleil à différentes heures de la journée. La source d’énergie de notre système étant le soleil, il est important d’apporter un soin particulier au profil d’éclairement. Le profil journalier utilisé est obtenu grâce à des données mesurées à intervalles réguliers (une heure) tout au long de la journée par ciel dégagé. 1000 Décembre Juillet 900 800 Éclairement (W/m²) 700 600 500 400 300 200 100 0 6 8 10 12 Temps (h) 14 16 18 Figure III.10 : Éclairements au mois de Décembre et Juillet sur la ville de Biskra b) La source PV Comme défini dans le premier chapitre, le modèle mathématique associé à une cellule se déduit à partir de celui d'une jonction PN. On y ajoute le courant Iph proportionnel à l'éclairement, ainsi qu'un terme modélisant les phénomènes internes. Le courant I issu de la cellule s'écrit alors : 70 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure III.11 : Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque La cellule PV est le composant unitaire d’un panneau photovoltaïque (ou module photovoltaïque) qui est obtenu à partir de la mise en parallèle et/ou série de plusieurs cellules PV. Pour la source photovoltaïque, le module PV de 38.39 Wc est modélisé sous MATLAB, où les expressions du courant débité par le module et la tension à ses bornes sont données par les équations suivantes : Avec : NScel : nombre de cellules connectées en série NPcel : nombre de cellules connectées en parallèle ICCmod : courant de court circuit du module [A] IPPMmod : courant au point de puissance maximale du module [A] VOCmod : tension en circuit ouvert du module [V] VPPMmod : tension au point de puissance maximale du module [V] La figure III.12 représente les caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV dans les conditions standards. 71 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3 Ta = 25 °C G = 1000 W/m² 2.5 Courant Ipv (A) 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 Tension Vpv (V) 20 25 40 Ta = 25 °C 35 G = 1000 W/m² Puissance Ppv (W) 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 Tension Vpv (V) 20 25 Figure III.12 : Caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV AEG-40 Le modèle du module PV, implémenté sous MATLAB, permet de tenir compte l’effet de l’éclairement et de la température. Les figures III.13 et III.14 représentent les caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module pour différents éclairements et températures ambiantes. 72 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3 G = 1000 W/m² 2.5 Ta = 25 °C G = 800 W/m² 2 Courant Ipv (A) Courbe des maximums de puissance 1.5 G = 400 W/m² 1 0.5 0 0 5 10 15 Tension Vpv (V) 20 25 50 Ta = 25 °C 45 Courbe des maximums de puissance 40 Puissance Ppv (W) 35 G = 1000 W/m² 30 G = 800 W/m² 25 20 15 G = 400 W/m² 10 5 0 0 5 10 15 Tension Vpv (V) 20 25 Figure III.13 : Influence de l’éclairement sur les caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV AEG-40 Nous remarquons que le courant et la tension débités par le module sont proportionnels à l’éclairement. 73 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3 Courbe des maximums de puissance G = 1000 W/m² 2.5 Courant Ipv (A) 2 1.5 Ta = 75 °C 1 Ta = 25 °C Ta = 0 °C 0.5 0 0 5 10 15 Tension Vpv (V) 20 25 50 G = 1000 W/m² 45 Courbe des maximums de puissance 40 Puissance Ppv (W) 35 30 25 20 15 Ta = 75 °C 10 Ta = 25 °C 5 Ta = 0 °C 0 0 5 10 15 Tension Vpv (V) 20 25 Figure III.14 : Influence de la température ambiante sur les caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) du module PV AEG-40 Nous remarquons que le courant débité par le module est proportionnel à l’éclairement tandis que la tension est inversement proportionnelle à cet éclairement. Pour la source photovoltaïque, afin d’obtenir 9813.9 Wc au point de puissance maximale, nous disposerons de 256 modules (64 en série et 4 en parallèle, figure III.3). 74 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– La figure III.15 représente les caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) de la source PV installée sur le toit de la maison, dans les conditions standards. 12 Ta = 25 °C G = 1000 W/m² 10 Courant Ipv (A) 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 Tension Vpv (V) 1200 1400 1600 11000 Ta = 25 °C 10000 G = 1000 W/m² 9000 Puissance Ppv (W) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 200 400 600 800 1000 Tension Vpv (V) 1200 1400 1600 Figure III.15 : Caractéristiques Ipv = f (Vpv) et Ppv = f (Vpv) de la source PV 75 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– c) Le convertisseur d’énergie Pour satisfaire les besoins en énergie, la source photovoltaïque doit fournir une tension de 1116.8 V (64 panneaux en série) au point de puissance maximale. Dans ce cas, l’utilisation d’un convertisseur DC/DC (hacheur), de type buck (dévolteur) permet d’abaisser la tension de la source PV à la valeur de la tension du bus continu qui est de 240 V. Dans cette partie, nous considérons qu’un dispositif MPPT est intégré à la commande du hacheur afin d’extraire le maximum de puissance de la source. Les interrupteurs utilisés sont des transistors MOS et des diodes Schottky. VL Ipv Source PV L1 Sm Vpv iBM C1 D vBM + - Pack de batteries au plomb-acide Commande MPPT Figure III.16 : Connexion entre la source PV et le pack de batteries au plomb-acide à travers un étage d’adaptation buck commandé par MPPT En mode de conduction continue, le fonctionnement du hacheur buck peut être décrit comme suit : Dans l'état passant, l'interrupteur Sm est fermé, la tension aux bornes de l'inductance vaut VL = Vpv – vBM. Le courant traversant l'inductance augmente linéairement. La tension aux bornes de la diode étant négative, aucun courant ne la traverse. Dans l'état bloqué, l'interrupteur Sm est ouvert. La diode devient passante afin d'assurer la continuité du courant dans l'inductance. La tension aux bornes de l'inductance vaut VL = − vBM. Le courant traversant l'inductance décroît. 76 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Les équations électriques décrivant le fonctionnement du hacheur buck s’écrivent comme suit : En valeurs moyennes, on peut écrire la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée et du rapport cyclique α comme suit : Le rapport cyclique étant compris entre 0 et 1, la tension de sortie VBM_moy est toujours inférieure à celle d'entrée Vpv_moy. Le contrôle du rapport cyclique α permet de tirer le maximum de puissance produite par la source PV. Calcul des composantes L1 et C1 du convertisseur Le calcul des composants L1 et C1 se fait grâce aux expressions suivantes [Dao 10]: Pour : f = 20 kHz, = 240 V, ΔIpvmax = 2%.Ipvmoy [A] et ΔVBM = 5%. [V], nous obtenons : d) Le moyen de stockage Compte tenu du caractère relativement complexe des accumulateurs électrochimiques, il s’avère difficile de développer un modèle général. Les différents modèles existant dans la littérature pour la technologie plomb-acide, sont d’une mise en œuvre complexe notamment à cause du nombre élevé de paramètres [Ger 02]. Pour ne pas tomber dans un excès de complexité, nous utiliseront pour notre travail un modèle R-C série pour la batterie. Le modèle électrique de la batterie au plomb comprend donc, une fem E0 modélisant la tension à vide de la batterie, un condensateur Cb modélisant la capacite interne de la batterie et une résistance interne RS. 77 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure III.17 : Modèle R-C série de la batterie au plomb [Sin 10] Nous pouvons écrire l’équation suivante : On définit l’état de charge (EDCBM) de la batterie en [%] par : Où CBM est la capacite nominale de la batterie en (Ah) et QdBM est la quantité de charge manquante par rapport à CBM. Pour un pack de batteries composé de NSBM batteries en série et NPBM batteries en parallèle, on peut écrire les équations suivantes : e) Le système de supervision Pour réguler le processus de recharge de l’élément de stockage du système photovoltaïque autonome, nous avons utilisé un système de supervision basé sur la tension du pack de batteries au plomb-acide, permettant de déconnecter celui-ci suivant un seuil de tension V1 correspondant à la tension du pack lorsqu’il est complètement rechargé ; dans ce cas, la charge est arrêtée [Ben 12]. La recharge par la source photovoltaïque commence à partir du seuil V2 correspondant à la tension du pack lorsqu’il est complètement déchargé. 78 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Le principe du système de supervision est représenté par le diagramme de la figure III.18. Non Oui vBM > V1 Arrêt de la charge du pack de batteries Poursuite de la charge du pack de batteries Figure III.18 : Principe du système de supervision utilisé pour la recharge du pack de batteries au plomb-acide III.2.3.2 Modélisation du système interdépendant embarqué dans le véhicule La modélisation du système interdépendant comprend la : - Modélisation du convertisseur DC/DC, - Modélisation du système de stockage hybride. a) Le convertisseur d’énergie Le pack des supercondensateurs (scaps) et le pack de batteries au lithium-ion sont couplés au bus continu par l'intermédiaire d’un convertisseur DC/DC buck. Le pack de supercondensateurs va être rechargé en premier, vu sa constante de temps plus faible que celle du pack de batteries au lithium-ion. Dans ce cas, le schéma du convertisseur est indiqué sur la figure III.19. iBM Pack de batteries au Plomb-acide + - L S1 vBM D iSC C vSC + - Figure III.19 : Convertisseur DC/DC buck utilisé pour la recharge du pack de supercondensateurs 79 Pack de scaps Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Le modèle analytique du convertisseur buck résultant du régime de charge du pack de supercondensateurs est donné par les équations différentielles suivantes : Après la recharge complète du pack de supercondensateurs, intervient le tour du pack de batteries au lithium-ion pour être rechargé par celui au plomb-acide. Le nouveau schéma du convertisseur est représenté sur la figure III.20. S1 iBM Pack de batteries au plomb-acide + - vBM L D iBV C vBV + - Pack de batteries au lithium-ion Figure III.20 : Convertisseur DC/DC buck utilisé pour la recharge du pack de batteries au lithium-ion Pour ce fonctionnement, le modèle analytique du convertisseur buck s’écrit comme suit : b) Le système de stockage hybride Modélisation du pack de batteries au lithium-ion Plusieurs modèles de batteries au lithium-ion existent. Leur mise en œuvre n’est pas aisée du fait de la prise en compte de plusieurs paramètres (température, etc.). Suivant les applications et les contraintes auxquelles elles sont soumises, ces batteries réagissent différemment, et donc on ne trouve pas un modèle unique qui soit exact dans toutes les circonstances. Pour cette raison, nous avons choisi un circuit R-C série pour le modèle de la batterie lithium-ion [Del 98]. 80 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– La fem E0BV, la capacité interne C0BV et la résistante interne R0BV du pack de batteries embarqué dans le véhicule peuvent s’écrire comme suit : Avec : E0V : fem d’une batterie [V] CbV : capacité interne d’une batterie [F] RSV : résistance interne d’une batterie [Ω] NSBV : nombre de batteries en série NPBV : nombre de batteries en parallèle La tension aux bornes du pack de batteries au lithium-ion, ainsi que son état de charge peuvent être écrits comme suit : Modélisation du pack de supercondensateurs L’utilisation de supercondensateurs comme moyen de stockage d’énergie à bord du véhicule passe par la réalisation d’un pack en associant plusieurs éléments en série et en parallèle. Le modèle équivalent d’un élément supercondensateur est un condensateur en série avec une résistance [Lac 04]. Figure III.21 : Modèle d’un élément supercondensateur 81 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– D'après la loi de maille, la tension aux bornes d’un élément peut être présentée par : Un supercondensateur unitaire présente une tension de l’ordre de 2,5 à 2,7 V ce qui fait que plusieurs éléments doivent être mis en série afin d’obtenir la tension demandée. Il est évident que mettre en série les condensateurs diminue leur capacité équivalente ainsi pour obtenir une capacité élevée à une tension demandée, un arrangement en série et en parallèle de plusieurs supercondensateurs est envisagé formant un module complet ou un pack comme définit dans le paragraphe III.2.2.2.b. La tension aux bornes d’un pack de supercondensateurs est donnée par : L’état de charge, appelé EDCSC, caractérise la quantité d’énergie présente dans le pack de supercondensateurs. Il vaut 100 % lorsque le pack est complètement chargé et 0 % lorsqu’il est chargé à sa valeur minimale. Où : EDCSC : état de charge [%] Epack : énergie contenue dans le pack [J] Emax : énergie maximale contenue dans le pack [J] c) Le système de supervision Pour réguler le processus de recharge des sources d’énergie embarquées dans le véhicule, nous avons utilisé un système de supervision basé sur les tensions du pack de supercondensateurs et celui de batteries au lithium-ion, d’où la déconnection est suivant les seuils [Ben 12]: - V3 : Seuil haut de coupure correspondant à la tension du pack de supercondensateurs lorsqu’il est complètement rechargé ; la charge est alors arrêtée. - V4 : Seuil haut de coupure, celui-ci correspond à la tension du pack de batteries lorsqu’il est complètement rechargé ; la charge est alors arrêtée. 82 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– La recharge de la source hybride par le pack de batteries au plomb-acide commence à partir des seuils V5 et V6 correspondant aux tensions des packs de supercondensateurs et de batteries au lithium-ion lorsqu’ils sont complètement déchargés. Le principe du système de supervision est représenté par le diagramme de la figure III.22. Non Oui vSC > V3 Arrêt de charge du pack de supercondensateurs iSC = 0 Poursuite de charge du pack de supercondensateurs Recharge du pack de batteries Non vBV > V4 Oui Poursuite de charge du pack de batteries Arrêt de charge du pack de batteries iBV = 0 Figure III.22 : Principe du système de supervision utilisé pour la recharge des éléments du système de stockage hybride III.3 Evaluation des performances du système de recharge hybride III.3.1 Performances du système photovoltaïque autonome Afin de valider le bon fonctionnement du système photovoltaïque, nous avons procédé à différents tests du modèle de la source PV suivant diverses conditions d’éclairement. Ainsi, deux modes de fonctionnement apparaissent : dans des conditions optimales et autres dégradées. 83 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.3.1.1 Seuils de tension du système de supervision Les deux seuils de tension V1 et V2 définis précédemment s’obtiennent par la réponse en courant (charge/décharge à courant constant) du pack de batteries au plomb-acide à un courant CBV10 (CBV10 est le courant du pack, en [A], durant 10 heures : CBV = 10 . CBV10). 15 10 Courant (A) 5 0 -5 -10 -15 0 2 4 6 8 10 12 Temps (h) 14 16 18 20 100 90 80 70 EDC (%) 60 50 X: 16 Y: 40 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 Temps (h) 14 16 18 20 260 255 250 Tension (V) 245 240 X: 16 Y: 236 235 230 225 220 0 2 4 6 8 10 12 Temps (h) 14 16 18 20 Figure III.23 : Etat de charge et réponse en tension du pack de batteries au plomb-acide 84 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– D’après la figure III.23, 260 V correspond à un état de charge de 100 % et 236 V à un état de charge de 40 % (pour une profondeur de décharge de 60 %). Le tableau III.9 récapitule les valeurs de seuils de tension du système de supervision. V1 = 260 V V2 = 236 V Tableau III.9 : Seuils de tension du système de supervision utilisé pour la recharge du pack de batteries au plomb-acide III.3.1.2 Efficacité de l’algorithme de l’incrément de conductance L’efficacité d’un algorithme MPPT se juge par rapport à sa capacité à suivre le maximum de puissance mais aussi, à sa robustesse dans des conditions climatiques perturbées [Sin 10]. Nous avons ainsi effectué une série de tests avec une variation significative de l’éclairement sur une dizaine d’heures afin d’éprouver notre algorithme. Le convertisseur étant considéré parfait, la source photovoltaïque installée sur le toit de la maison est composée de 256 panneaux de 38.39 Wc chacun. Nous imposons un profil d’éclairement (figure III.24) afin de faire varier la puissance fournie par les panneaux. Cette puissance est comparée à la puissance maximale théorique. Comme nous pouvons le remarquer sur les figures III.25 et III.26, notre algorithme suit le point de puissance maximale. 1000 900 800 Eclairement (W/m²) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 Temps (h) 6 7 Figure III.24 : Profil d’éclairement 85 8 9 10 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 10000 9000 8000 Puissance (W) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 4 5 Temps (h) 6 7 8 9 10 Figure III.25 : Puissance effective fournie par la source PV 10000 9000 8000 Puissance (W) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 4 5 Temps (h) 6 7 8 9 10 Figure III.26 : Puissance maximale pouvant être fournie par la source PV Le rendement moyen ηmppt est calculé à partir de la puissance moyenne fournie par les panneaux, Ppv_moy, et la puissance maximale théorique pouvant être fournie par les panneaux, Pmpp [Ker 08]: Grâce à l’algorithme MPPT, nous atteignons un rendement de 97,99 % malgré la variation brusque de l’éclairement (passage de 800 W/m2 à 100 W/m2 en 1 heure). 86 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.3.1.3 Fonctionnement dans des conditions optimales, le mois de Juillet En appliquant le profil de la figure III.10 (profil en bleu), en considérant une température ambiante constante de 25 °C et en partant d’un état de charge initial de 40 %, nous obtenons les résultats suivants : 260 255 250 Tension (V) 245 240 235 230 225 220 0 2 4 6 Temps (h) 8 10 12 0 2 4 6 Temps (h) 8 10 12 100 90 80 70 EDC (%) 60 50 40 30 20 10 0 Figure III.27 : Tension et état de charge du pack de batteries au plomb-acide durant le mois de Juillet Le pack de batteries à un état de charge initial de 40 %. Dans des conditions optimales d’éclairement, il arrive à se charger jusqu’à 97.81 % au bout de 3 heures. La figure III.27 montre que le système de supervision remplit bien son rôle puisque l’arrêt de charge du pack commence lorsque vBM > V1. 87 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.3.1.4 Fonctionnement dans des conditions dégradées, le mois de Décembre En appliquant le profil de la figure III.10 (profil en vert) pour une température ambiante constante de 25 °C et un état de charge initial de 40 %, nous obtenons les résultats suivants : 260 255 250 Tension (V) 245 240 235 230 225 220 0 2 4 6 Temps (h) 8 10 12 0 2 4 6 Temps (h) 8 10 12 100 90 80 70 EDC (%) 60 50 40 30 20 10 0 Figure III.28 : Tension et état de charge du pack de batteries au plomb-acide durant le mois de Décembre Dans des conditions dégradées d’éclairement, le pack de batteries arrive à se charger jusqu’à 77.62 % au bout de 4 heures malgré qu’on se trouve pendant le mois le moins ensoleillé. Ce résultat confirme le bon dimensionnement et la bonne modélisation du système photovoltaïque autonome. D’après la figure III.28, on peut tirer les points suivants : 88 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Sur la plage horaire de 0 heure à une heure et, en absence d’éclairement, le pack de batteries reste déchargé (EDCBM = 40 % et vBM = V2), Dés l’apparition d’un éclairement, la source PV permet de recharger le pack, Arrêt de charge du pack lorsque vBM > V1. III.3.2 Performances du système interdépendant embarqué dans le véhicule Le système interdépendant utilisé pour la recharge des sources d’énergie embarquées dépend essentiellement de l’état de charge de l’élément de stockage du système PV. Pour évaluer les performances du premier système, nous considérons que le pack de batteries au plomb-acide a un état de charge de 77.62 % (celui obtenu pour un fonctionnement dans des conditions dégradées, c-à-d, pendant le mois de Décembre). III.3.2.1 Seuils de tension du système de supervision En considérant la durée de 1200 secondes du nouveau cycle européen de conduite « NEDC » [Qia 09] [Str 03], les quatre seuils de tension du système de supervision s’obtiennent comme suit : Le seuil de tension V3 est égal à VSC_max. Le seuil de tension V4 s’obtient par la réponse en courant (charge à courant constant) du pack de batteries au lithium-ion à un courant CBV10 (CBV est la capacité nominale du pack en Ah). Le seuil de tension V5 est VSC_min égal à Le seuil de tension V6 s’obtient par la réponse en courant (décharge à courant constant) du pack de batteries au lithium-ion à un courant de 3CBV [A]. 89 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 300 200 Courant (A) 100 0 -100 -200 -300 0 1 2 3 4 5 6 Temps (h) 7 8 9 10 11 100 X: 10 Y: 100 90 80 70 EDC (%) 60 50 40 30 20 X: 10.3 Y: 10 10 0 0 1 2 3 4 5 6 Temps (h) 7 8 9 10 11 X: 10 Y: 234 230 Tension (V) 225 220 215 210 205 X: 10.3 Y: 201.6 200 0 1 2 3 4 5 6 Temps (h) 7 8 9 10 11 Figure III.29 : Etat de charge et réponse en tension du pack de batteries au lithium-ion 90 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– A partir de la figure III.29, 234 V correspond à un état de charge de 100 % et 201.6 V à un état de charge de 10 % (pour une profondeur de décharge de 90 %). Le tableau III.10 récapitule les valeurs de seuils de tension du système de supervision. V3 = 89 V V4 = 234 V V5 = 44.5 V V6 = 201.6 V Tableau III.10 : Seuils de tension du système de supervision utilisé pour la recharge des éléments du système de stockage hybride III.3.2.2 Recharge du pack de supercondensateurs Ayant une constante de temps plus faible par rapport à celle du pack de batteries au lithium-ion, le pack de supercondensateurs sera le premier à être rechargé. En utilisant le pack de batteries du système PV et en partant d’un état de charge nul, nous obtenons les résultats suivants : 90 85 80 Tension (V) 75 70 65 60 55 50 45 40 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Temps (h) 0.1 0.12 0.14 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Temps (h) 0.1 0.12 0.14 100 90 80 70 EDC (%) 60 50 40 30 20 10 0 Figure III.30 : Tension et état de charge du pack de supercondensateurs 91 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.3.2.3 Recharge du pack de batteries au lithium-ion Après une recharge complète du pack de supercondensateurs, c’est autour du pack de batteries embarqué dans le véhicule à se recharger. En partant d’un état de charge initial de 10% et en considérant le pack de batteries du système PV comme source de recharge, nous obtenons les résultats suivants : 235 230 Tension (V) 225 220 215 210 205 200 0 1 2 3 Temps (h) 4 5 6 0 1 2 3 Temps (h) 4 5 6 100 90 80 70 EDC (%) 60 50 40 30 20 10 0 Figure III.31 : Tension et état de charge du pack de batteries au lithium-ion Les figures III.30 et III.31 démontrent : malgré que nous avons utilisé l’énergie stockée obtenu pour un fonctionnement durant le mois le plus défavorable, le pack de batteries au plomb-acide permet de charger aussi bien le pack de supercondensateurs complètement et rapidement, que celui de batteries jusqu’à 93.92 %, tout en respectant les seuils de tension du système de supervision. Ces résultats dénotent le bon dimensionnement et la bonne modélisation du système interdépendant. 92 Chapitre III : Mise en œuvre d’un système de recharge hybride ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– III.4 Conclusion Dans ce chapitre, nous avons mis en œuvre un système de recharge hybride composé d’un système photovoltaïque autonome et d’un système interdépendant embarqué dans le véhicule. D’après les résultats obtenus, nous pouvons conclure que : - Les bons dimensionnement et modélisation des différents composants du système de recharge hybride ont permis aux packs de batteries au lithium-ion et de supercondensateurs d’arriver à de bons états de charge, même dans des conditions météorologiques rudes, - Le modèle de la source PV étant précis, tient compte de la variation d’éclairement et de la température ambiante, - L’algorithme MPPT permet de suivre le point de puissance maximale même dans des conditions climatiques instables, - La régulation du processus de recharge des éléments de stockage est assurée par différents systèmes de supervision. De plus, en considérant un stockage hybride assurant la traction du véhicule, nous analyserons dans le chapitre suivant, le rôle du pack de supercondensateurs en présence de fortes sollicitations. 93 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.1 Introduction Les systèmes multi-sources constituent des solutions attractives dans les applications transport. En effet, ils génèrent peu de perturbations environnementales grâce à l’utilisation d’énergies propres et/ou renouvelables tels que le rayonnement solaire et le vent [Zan 10]. Dans les systèmes multi-sources, on trouve donc fréquemment l’assemblage de sources d’énergies propres telles que les systèmes piles à combustible (PAC), les packs de batteries (BAT) et de supercondensateurs (SC), les systèmes photovoltaïques et éoliens. Dans ce chapitre, nous allons tout d’abord présenter quelques structures et méthodes de contrôle usuelles des systèmes multi-sources (systèmes hybrides) d’énergie électrique. Ensuite nous présentons l’association « pack de batteries / pack de supercondensateurs » dans l’intérêt de gérer les flots d’énergie entre différents organes constituant le système embarqué dans le véhicule électrique. Enfin, nous démontrons le rôle du pack de supercondensateurs en présence de fortes sollicitations. IV.2 Hybridation des dispositifs électrochimiques IV.2.1 Concept d’hybridation L’hybridation des dispositifs électrochimiques consiste à combiner deux dispositifs ou plus (au moins un élément de stockage) de manière à combiner les avantages respectifs de chacun tout en minimisant leurs inconvénients. Par exemple l’hybridation d’une batterie électrochimique (ou une pile à combustible) avec un supercondensateur peut surmonter les problèmes de faible énergie spécifique de ce dernier. L’hybridation, qui par principe, combine les avantages de deux technologies (énergie spécifique élevée pour la première, puissance spécifique importante et disponible sur des durées appréciables pour la seconde), permet en particulier de dissocier les dimensionnements en puissance moyenne et en puissance transitoire. L’intérêt principal en découlant est le gain substantiel en termes de volume et de masse [Pay 09]. Dans un système hybride, trois régimes de fonctionnement peuvent être définis : Un régime dit ‘‘normal’’, pour lequel la puissance de la charge est inférieure à la puissance maximale de la source principale. La source principale fournit alors la totalité de l’énergie à la charge. 95 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Un régime dit ‘‘de décharge’’, pour lequel la puissance de la charge est supérieure à la puissance maximale de la source principale. Par conséquent, la source principale et l’organe de stockage fournissent de l’énergie à la charge. Un régime dit ‘‘de récupération’’, pour lequel la charge fournit de l’énergie à l’organe de stockage (et peut être à la source principale, si elle est rechargeable). La figure IV.1 illustre la conception basique de l’hybridation et les trois régimes de fonctionnement qui peuvent apparaître. (a ) (b ) (c) Source Principale (énergie spécifique élevée)de Organe stockage (puissance spécifique élevée) Source Principale (énergie spécifique élevée)de Organe stockage (puissance spécifique élevée) Source Principale (énergie spécifique élevée)de Organe stockage (puissance spécifique élevée) Convertisseur Charge Convertisseur Charge Convertisseur Charge Flux d’énergie de la source principale Flux de puissance de l’organe de stockage a) régime normale b) régime de décharge c) régime de récupération Figure IV.1 : Conception de l’hybridation et différents régimes de fonctionnement 96 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.2.2 Structures et stratégies de contrôle des sources hybrides En connectant à la fois une source principale et une autre auxiliaire directement sur le bus continu d’alimentation, on aura la configuration hybride la plus simple. En [Ehs 05], cette configuration est étudiée pour des batteries considérées comme source principale et des supercondensateurs jouant le rôle d’auxiliaires (figure IV.2), dont l’application est le véhicule électrique. Selon [Pay 09], ce système hybride a l’avantage de la simplicité et de la robustesse mais présente un certain nombre d’inconvénients ; il est nécessaire de faire correspondre la tension nominale de la source principale à celle de l’organe de stockage, ce qui élimine beaucoup de souplesse dans la conception du système. De plus, la puissance ne peut pas être contrôlée activement et l’énergie de l’organe de stockage ne sera pas utilisée complètement. Autrement dit, la puissance est répartie passivement entre la source principale et l’organe de Ultracapacitors Batteries stockage (en fonction des caractéristiques de chacun). . . . . . Figure IV.2 : Connexion direct et parallèle des batteries et supercondensateurs [Ehs 05] Contrairement au choix fait pour cette structure passive, il est possible de placer un convertisseur continu-continu entre la source principale et l’organe de stockage. Cette conception permet à la source principale et à l’organe de stockage d’avoir une tension différente, les flux de puissance entre eux peuvent être activement contrôlés et l’énergie de l’organe de stockage peut être pleinement utilisée. Les auteurs en [Aya 10] ont proposé pour assurer le contrôle de la source hybride présentée sur la figure IV.3, une stratégie de contrôle non linéaire basée sur la passivité. Cette méthode a été testée par simulation avec MATLAB/Simulink. L’objectif de ce travail est de contrôler la tension du bus continu, maintenir l’énergie moyenne délivrée par la pile à combustible à une valeur constante sans avoir de pics importants, et finalement charger le pack de supercondensateurs. La figure IV.4 montre l’allure de la tension de 97 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– sortie et sa référence. Les allures des puissances de la pile à combustible, du pack de supercondensateurs et celle consommée par la charge sont représentées sur la figure IV.5. Figure IV.3 : Structure de la source hybride [Aya 10] a) b) Figure IV.4 : a) Tension du bus continu et sa référence b) Courant de la charge [Aya 10] Figure IV.5 : Puissance de la pile à combustible, du pack de supercondensateurs et de la charge [Aya 10] Pour contrôler tout le système, il suffit de mesurer les deux variables VFC et IFC, ce qui présente l’avantage du contrôle par passivité [Pay 09]. Les figures IV.4 et IV.5 démontrent qu’une variation de la puissance demandée par la charge entraine une surtension élevée aux bornes du bus continu, en plus, le pack de supercondensateurs n’a pas bien compensé la faible dynamique de la pile à combustible. Dans un autre travail, P. Thounthong a proposé en [Tho 10] une comparaison de performances basée sur deux stratégies de contrôle différentes, à savoir, le contrôle par platitude et par un régulateur PI classique, afin d’assurer le contrôle de la source hybride présentée sur la figure IV.6. Les 98 résultats obtenus par simulation avec Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– MATLAB/Simulink sont représentés sur la figure IV.7. L’objectif de ce travail est de contrôler la tension du bus continu et l’énergie supercapacitive. Figure IV.6 : Topologie de la source hybride [Tho 10] La figure IV.8 montre les allures de la tension du bus continu, de la puissance demandée par la charge et celle fournie par les supercondensateurs pour les deux stratégies de contrôle et différentes marges de phases PM. La loi de contrôle linéaire proposée est donnée par l’expression suivante : Où yBusREF est l’énergie de référence désirée pour l’énergie stockée dans le bus continu en Joule [J]. Pour donner une comparaison raisonnable entre les deux méthodes de contrôle, les paramètres du correcteur linéaire PI (KP et KI) sont choisis de manière à avoir les meilleures performances possibles. Le résultat correspondant est comparé à celui obtenu en utilisant le contrôle par platitude. - Pour une marge de phase souhaitée de 60o, les paramètres KP et KI ont les valeurs suivantes : KP = 600 W.J-1, KI = 100000 W. (J.s)-1 - Pour une marge de phase souhaitée de 50o, les paramètres KP et KI ont les valeurs suivantes : KP = 720 W.J-1, KI = 200000 W. (J.s)-1 99 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Figure IV.7 : Comparaison entre le contrôle par platitude et par un régulateur PI classique [Tho 10] La figure IV.7 démontre que le contrôle par platitude prouve une bonne convergence de la régulation de la tension du bus continu à sa référence désirée de 42 V. Bien que la réponse dynamique du régulateur PI classique pourrait être améliorée (en réduisant la marge de phase PM), et par rapport à celle représentée sur la même figure, cette amélioration est faite au détriment d’une marge de stabilité réduite [Tho 10]. A partir des différentes conclusions tirées de [Aya 10] et [Tho 10], nous avons choisi le contrôle par platitude afin de gérer les flots d’énergie dans le système multi-sources embarqué dans le véhicule. 100 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.3 Définition d’un système plat Un système d'équations différentielles ordinaires est dit différentiellement plat, s’il existe des variables x, u et y tels que : Avec x est le vecteur des variables aléatoires, u est celui de contrôle, y étant des sorties plates, et (n,m) ϵ N. a) Le vecteur y peut s’écrire en fonction de x et u comme suit : Où s est le nombre fini de dérivées du vecteur u. b) Les vecteurs x et u peuvent être exprimés en fonction du vecteur des sorties plates y et le nombre fini de ses dérivées comme suit : Où : r est le nombre fini de dérivées du vecteur y. c) Il n'ya pas d’équation différentielle sous la forme : Où k est le nombre fini de dérivées du vecteur y. Le vecteur des sorties plates y et ses dérivées offrent la représentation du système de telle sorte que si les profils de ces sorties plates sont connus, il est alors possible d’obtenir l’évolution de tous les variables d’état du système et les entrées correspondantes. L’avantage de l'approche de platitude différentielle est que les variables d’état et de contrôle du système, à savoir, x et u, sont carrément estimées par les trajectoires des sorties plates du vecteur y et ses dérivées sans avoir besoin à intégrer aucune équation différentielle [Tho 10]. 101 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.4 Domaines d’utilisation du contrôle basé sur la théorie de la platitude différentielle La propriété de platitude d’un système est une notion relativement récente qui a été proposée et développée, en 1992, par M. Fliess, J. Lévine, P. Martin et P. Rouchon [Fli 92]. Cette propriété permet de caractériser la trajectoire d’état d’un système non linéaire via l’utilisation des sorties plates et leurs dérivées successives. Actuellement, ces idées ont été récemment utilisées dans une variété de systèmes non linéaires à travers différentes disciplines d'ingénierie, y compris le [Tho 10]: - Contrôle de la direction de véhicules, - Contrôle de la pression cathodique et du rapport d'excès d'oxygène d'un système PEMFC, - Contrôle de la direction d'un système à deux niveaux quantiques, - Contrôle d'écoulement d'un canal ouvert dans un canal d'irrigation, - Conception d'un algorithme d'orientation pour la phase hypersonique d'un véhicule de levage-corps, - Contrôle d’un robot spatial avec des axes d'articulation orientés arbitrairement et deux roues d'inertie à la base. IV.5 Contrôle par platitude de la source hybride IV.5.1 Présentation du système multi-sources La structure du système multi-sources à étudier est représentée sur la figure IV.8, dont la composition est : - Un bus continu de nature capacitive (Cbus), - Un pack de batteries au lithium-ion, considérée comme source d’énergie, de tension vBV, fournissant une puissance PBV et connecté au bus continu via un convertisseur continu/continu réversible en courant (convertisseur DC/DC 1 sur la figure IV.8), - Un pack de supercondensateurs, considéré comme source de puissance, de tension vSC, fournissant une puissance PSC et connecté au bus continu via un convertisseur continu/continu réversible en courant (convertisseur DC/DC 2 sur la figure IV.8), - L’ensemble ‘‘onduleur + machine synchrone à aimant permanant’’ représentant la charge. 102 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Convertisseur DC/DC 1 LBV iBV ich S2 S1 + vBV Pch Cbus - vbus Charge (Ond+MSy) PBV LSC iSC vSC S4 S3 + - PSC Convertisseur DC/DC 2 Figure IV.8 : Structure du système multi-sources IV.5.2 Dimensionnement des convertisseurs et de la capacité du bus continu Convertisseur lié au pack de batteries Le convertisseur lié au pack de batteries est un convertisseur buck-boost [Ort 03]. L’inductance LBV correspondante à l’ondulation de courant ΔIBVmax est donnée par [Lac 04] [Mak 08] [Man 10]: = 300 V f = 15 kHz LBV = 2.5 mH = 5%.IBV [A] Convertisseur lié au pack de supercondensateurs Le convertisseur lié au pack de supercondensateurs est un convertisseur buck-boost [Hij 10] [Lac 04] [Mak 08]. L’inductance LSC correspondante à l’ondulation de courant ΔISCmax est donnée par [Lac 04] [Mak 08] [Man 10]: 103 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– = 300 V LSC = 0.625 mH f = 15 kHz = 5%.ISC [A] Capacité du bus continu La capacité Cbus s’exprime par l’équation (IV.10), et en fonction [Tho 05]: - Du rendement de conversion ηc, - De la puissance Pin délivrée par le pack de batteries au lithium-ion, - Du rapport cyclique de découpage D, - De l’ondulation de la tension de sortie ΔVbus, - De la valeur moyenne de la tension du bus continu - De la fréquence de découpage f. , Le tableau IV.1 récapitule le calcul de la capacité Cbus. ηc [%] Pin [kW] D [%] ΔVbus [V] 100 50 28 6 [V] 300 f [kHz] Cbus [mF] 15 0.52 Tableau IV.1 : Récapitulatif du calcul de la capacité du bus continu IV.5.3 Modélisation du système multi-sources Dans un souci de simplification, nous supposons que les convertisseurs DC/DC sont parfaits. Les interrupteurs utilisés sont des transistors IGBT et des diodes Schottky. En considérant les notations données sur la figure IV.8, les équations régissant le fonctionnement du système peuvent être écrites de la façon suivante : Les courants iBV et iSC du pack de batteries et du pack de supercondensateurs : 104 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– L’énergie électrostatique L’énergie ybus stockée dans la capacité du bus continu : ybus en fonction de PBV, PSC et Pch : Où : L’énergie supercapacitive ySC est donnée par : IV.5.4 Géstion d’énergie et lois de contrôle La gestion d’énergie proposée réside dans : 1) L’utilisation du pack de batteries au lithium-ion pour : fournir ou absorber la puissance appelée par la charge, 2) L’utilisation du pack de supercondensateurs pour : - Compenser la différence entre la puissance demandée par la charge et la puissance maximale fournit par le pack de batteries au lithium-ion, - Fournir ou absorber de l’énergie, dans le but de réguler la tension capacitive. 105 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.5.4.1 Régulation de l’énergie capacitive Comme prouvé en [Pay 09], l’augmentation de la puissance P ch consommée par la charge conduira à la diminution de la tension vbus imposée aux bornes du condensateur Cbus, tandis que la diminution de cette puissance conduira à l’augmentation de la tension imposée, d’où la nécessité de la régulation. La tension vbus peut être calculée en fonction de la puissance Pch comme suit : - Si : Pch (t) > Pch (tpré) : - Si : Pch (t) < Pch (tpré) : On désigne par tpré, le temps qui précède t. IV.5.4.2 Etude de la platitude du système multi-sources Pour démontrer la platitude du système, il faut vérifier qu’il est toujours possible d’exprimer toutes les variables d’état de contrôle en fonction de la sortie plate et d’un nombre fini de dérivées successives de cette sortie. Pour cela, on définit : ybus comme sortie plate, PSC comme variable de contrôle, vbus comme variable d’état du système. A partir de l’équation (IV.14), la variable d’état vbus peut s’écrire comme suit : A partir des équations (IV.16) et (IV.19), la variable de contrôle PSC peut s’écrire comme suit : 106 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– → Le modèle du système peut être et considéré au sens de M. Fliess et al. « différentiellement plat ». IV.5.4.3 Planification de la trajectoire de référence L’avantage majeur à la platitude d’un système est de pouvoir planifier la trajectoire de la sortie plate. Connaissant celle-ci, et si la modélisation du système est sans erreur, il est alors possible de connaître l’évolution des variables d’état et de contrôle système sans avoir à résoudre aucune équation différentielle. Soit ybusréf la trajectoire de référence souhaitée pour la sortie plate ybus (énergie stockée dans la capacité du bus continu). L’énergie ybusréf est donnée par : La figure IV.9 montre sous forme de schéma bloc, la génération de la trajectoire de référence ybusréf. Figure IV.9 : Génération de la trajectoire de référence ybusréf IV.5.4.4 Asservissement de la sortie plate à sa référence Pour asservir la sortie plate ybus à sa référence ybusréf, on utilise la loi comportementale suivante : Le choix des coefficients k11 et k12 s’effectue en étudiant les racines de l’équation caractéristique suivante : Qui s’écrivent : ξ et wn représentent respectivement l’amortissement et la pulsation naturelle désirés. 107 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.5.4.5 Contrôle de la puissance du pack de batteries Les trois modes de fonctionnement qui peuvent apparaître lors d’échange de puissance entre la source principale (pack de batteries) embarquée dans le véhicule et la charge sont : a) Le mode normal Dans lequel, la puissance demandée par la charge est positive et inférieure à celle maximale que peut fournir la source principale. Dans ce cas, le pack de batteries fournit la totalité de la puissance demandée. Ce mode se traduit par l’équation suivante : si : b) Le mode de décharge Dans lequel, la puissance demandée par la charge est supérieure à la puissance maximale que peut fournir la source principale. Dans ce cas, le pack de batteries fournit sa puissance maximale, PBV_max. Ce mode a pour équation : si : c) Le mode de récupération Dans lequel, la puissance demandée par la charge est négative et doit être absorbée par différents organes de stockage du système (packs de supercondensateurs et de batteries dans le cas présent). Ce mode se traduit par les équations suivantes : si : et Ou : si : et IV.5.4.6 Asservissement des courants inductifs La méthode de gestion d’énergie proposée ci-dessus repose sur l’hypothèse que les courants iBV et iSC à travers les éléments inductifs, suivent parfaitement leurs références iBVréf et iSCréf [Pay 09] [Tho 10] [Zan 10] donnés par les relations suivantes : 108 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Différentes techniques peuvent être utilisées pour l’asservissement en courant. La technique dite ‘‘MLI’’ emploie en général des régulateurs à structure linéaire (PI, PID, …) et autres à structure non linéaire (mode glissant, hystérésis, …) [Pay 09] [Zan 10]. La sortie du correcteur est comparée à un signal porteur ; les ordres de commutations des interrupteurs sont alors obtenus. + iréf Régulateur de courant - MLI S imes Signal porteur Figure IV.10 : Principe de contrôle du courant par la technique MLI Il est possible d’utiliser une autre classe de régulateurs de sortie dont la sortie discrète, permet de piloter directement les interrupteurs de puissance. Parmi ces régulateurs, le plus couramment utilisé, à la fois simple et robuste [Pay 09], est le régulateur ‘‘à hystérésis’’. 1 iréf + 0 -H/2 H/2 imes S Comparateur à hystérésis Figure IV.11 : Principe de contrôle du courant par hystérésis La méthode est basée sur la comparaison de la différence entre les courants de références iréf et les courants mesurés imes avec une bande passante fixe. Chaque violation appartenant à cette bande donne un ordre de commutation aux interrupteurs [Abo 03]. Le comparateur à hystérésis fonctionne selon le principe expliqué sur la figure II.11, où les états des interrupteurs s’obtiennent comme suit [Bol 09]: - L’interrupteur s’ouvre si la différence est inférieure à -H/2, dont H représente la largeur (ou fourchette) d’hystérésis. - L’interrupteur se ferme si la différence est supérieure à +H/2, - Si la différence est comprise entre -H/2 et +H/2 (c-à-d, qu’elle varie à l’intérieur de la fourchette d’hystérésis), l’interrupteur ne commute pas. 109 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Dans ce travail, nous avons utilisé deux régulateurs hystérésis à deux niveaux et aux bandes passantes fixes, afin de générer les signaux de commande des interrupteurs S 1, S2, S3 et S4 des convertisseurs liés aux packs de batteries au lithium-ion et de supercondensateurs (convertisseurs DC/DC 1 et DC/DC 2, respectivement). S1 e + iBVréf S1 - -ΔI1 +ΔI1 iBV Figure IV.12 : Génération du signal de commande de l’interrupteur S1 S3 e1 + iSCréf S3 - -ΔI2 +ΔI2 iSC Figure IV.13 : Génération du signal de commande de l’interrupteur S 3 Les signaux de commande des interrupteurs S1, S2, S3 et S4 peuvent être générés de la manière suivante : On désigne par Spréc, la valeur précédente. La figure IV.14 représente la structure globale du contrôle par platitude de la source hybride batteries / supercondensateurs. 110 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Equ. (IV.21), (IV.22). Equ. (IV.26) Equ. (IV.24) Système plat Equ. (IV.29), (IV.30), (IV.31), (IV.32). Figure IV.14 : Structure globale du contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– IV.5.5 Résultats et discussion Dans cette partie, le comportement du système multi-sources est représenté en fonction des différents modes de fonctionnement. Les résultats obtenus, par utilisation du logiciel MATLAB, permettent de valider le modèle du système ainsi que les lois de contrôle proposées pour gérer les flots d’énergie. Les paramètres du système multi-sources sont indiqués dans le tableau IV.2. Les états de charge initiaux des packs de batteries au lithium-ion et de supercondensateurs sont ceux obtenus pour un fonctionnement pendant une journée du mois de Décembre. Paramètre Valeur Puissance maximale du pack de batteries [kW] 50 Tension initiale du pack de batteries [V] 231.8 Tension minimale du pack de batteries [V] 201.6 Etat de charge initial du pack de batteries [%] 93.92 Etat de charge minimal du pack de batteries [%] 10 Puissance maximale du pack de supercondensateurs [kW] 60 Tension initiale du pack de supercondensateurs [V] 89 Tension minimale du pack de supercondensateurs [V] 44.5 Etat de charge initial du pack de supercondensateurs [%] 100 Etat de charge minimal du pack de supercondensateurs [%] 0 Tension de référence du bus continu [V] 300 Inductance LBV [mH] 2.5 Inductance LSC [mH] 0.625 Capacité Cbus [mF] 0.52 Coefficient k11 [rad.s-1] 140 Coefficient k12 [rad2.s-2] 104 ΔI1 [A] 1 ΔI2 [A] 4 Tableau IV.2 : Paramètres du système multi-sources 112 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Pour rendre effective l’utilisation d’un véhicule électrique, nous avons défini qu’au cours de son parcours, le véhicule fait appel à des séquences de puissance telles que les périodes d’accélération, d’arrêt et de freinage. 50 Pch [kW] 40 30 20 10 0 -10 -20 0 50 100 150 Temps (s) Figure IV.15 : Profil de puissance de la charge Dans ce cas, nous obtenons les résultats ci-dessous montrant les allures de la tension du bus continu et sa référence, des courbes de puissance, des tensions et états de charge des packs de batteries au lithium-ion et de supercondensateurs. 50 300.016 Vbusréf+0.01 vbus 300.014 Pch [kW] PBV [kW] PSC [kW] 40 300.012 30 Tension (V) 300.01 300.008 20 300.006 10 300.004 0 300.002 -10 300 299.998 0 50 100 150 Temps (s) -20 0 50 100 Temps (s) Figure IV.16 : Tension du bus continu et sa référence Figure IV.17 : Courbes de puissance 113 150 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 94 232 93.5 93 Tension (V) Etat de charge (%) 231.5 231 92.5 92 91.5 91 230.5 0 50 100 90.5 0 150 50 100 Temps (s) Temps (s) Figure IV.18 : Tension du pack de batteries Figure IV.19 : Etat de charge du pack de batteries 150 89.05 100 89 99.9 Etat de charge (%) Tension (V) 88.95 88.9 88.85 99.7 99.6 88.8 88.75 99.8 99.5 0 50 100 150 Temps (s) 99.4 0 50 100 150 Temps (s) Figure IV.20 : Tension du pack de supercondensateurs Figure IV.21 : Etat de charge du pack de supercondensateurs Sur la figure IV.16, on remarque que la tension du bus continu est bien régulée à sa référence. En fait : Comme le montre la figure IV.15, et tout au long du parcours, la puissance appelée par la charge est inférieure à celle maximale du pack de batteries (c-à-d, absence des pics de puissance). Dans ce cas, le pack de supercondensateurs a pour fonction la fourniture ou l’absorption de l’énergie nécessaire pour réguler celle stockée dans le bus continu. 114 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - De t = 0 à t = 10 s : la puissance demandée par la charge est nulle. A ce titre, les pack de batteries et supercondensateurs ne fournissent ou absorbent aucune puissance, d’où une constance entre les tensions des packs et leurs états de charge. - De t = 10 à t = 70 s : le pack de batteries fournit l’intégralité de la puissance demandée. Par contre, le pack de supercondensateurs fournit de l’énergie afin de réguler celle stockée dans le bus continu ; les tensions des packs et leurs états de charge diminuent en évidence. - A t = 80 s : la puissance demandée par la charge passe de 30 kW à 0 kW. Le pack de batteries ne fournit aucune puissance ; le pack de supercondensateurs absorbe de l’énergie afin de réguler celle stockée dans le bus continu. Par conséquent, la tension et l’état de charge du pack de batteries restent constants, tandis que ceux du pack de supercondensateurs augmentent jusqu’à la pleine recharge. - De t = 90 à t = 100 s : la puissance demandée par la charge est négative (freinage du véhicule). Etant donné que le pack de supercondensateurs est complètement rechargé, celui de batteries absorbe deux énergies, l’une issue du freinage, l’autre nécessaire pour réguler l’énergie stockée dans le bus continu. Ainsi, la tension et l’état de charge du pack de supercondensateurs restent constants, tandis que ceux du pack de batteries augmentent. - A t = 110 s : la puissance demandée par la charge est nulle, et le pack de supercondensateurs est complètement rechargé. Dans ce cas, le pack de batteries n’absorbe que l’énergie nécessaire pour réguler l’énergie stockée dans le bus continu. De ce fait, la tension et l’état de charge du pack de supercondensateurs restent constants, tandis que ceux du pack de batteries augmentent. - De t = 120 à t = 150 s : le pack de batteries fournit l’intégralité de la puissance demandée, et le pack de supercondensateurs fournit de l’énergie afin de réguler celle stockée dans le bus continu ; ce qui explique la diminution des tensions des packs ainsi que leurs états de charge. IV.6 Comparaison des deux types de stockage face à de fortes sollicitations Le profil utilisé précédemment (Profil 1) ne présentait aucun pic de puissance. Afin d’étudier le rôle du pack de supercondensateurs en présence de fortes sollicitations, nous proposons dans ce paragraphe deux profils supplémentaires : Le Profil 2 présente deux pic de puissance de 60 kW sur un parcours de 150 secondes, Le Profil 3 présente un pic de puissance de 80 kW et un autre de 60 kW durant 150 secondes. 115 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Ces profils permettront de montrer à travers l’état de charge final du pack de batteries, l’apport du pack de supercondensateurs. Test avec le profil 1 300.016 50 Pch [kW] PBV [kW] PSC [kW] 40 Vbusréf+0.01 vbus 300.014 300.012 30 Tension (V) 300.01 20 10 300.008 300.006 300.004 0 300.002 -10 -20 300 299.998 0 50 100 150 0 50 100 150 Temps (s) Temps (s) Figure IV.22 : Courbes de puissance après application du Profil 1 Figure IV.23 : Tension du bus continu et sa référence après application du Profil 1 94 91.1 Stockage simple Stockage hybride 93.5 Stockage simple Stockage hybride 91 Etat de charge (%) Etat de charge (%) 93 92.5 92 90.8 X: 150 Y: 90.7 90.7 91.5 X: 150 Y: 90.6 91 90.5 0 90.9 90.6 50 100 150 Temps (s) 142 143 144 145 146 147 Temps (s) 148 149 150 151 Figure IV.24 : Etat de charge du pack de batteries après application du Profil 1 (en bleu : stockage simple avec pack de batteries seul, en rouge : stockage hybride) Lors d’un test avec le Profil 1, l’état de charge du stockage hybride évolue de la même manière que celui du stockage avec pack de batteries seul. En fin de test, la différence d’état de charge est seulement de 0,10 %. 116 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Test avec le profil 2 300.016 80 Pch [kW] PBV [kW] PSC [kW] 70 Vbusréf+0.01 vbus 300.014 300.012 50 300.01 Tension (V) 60 40 30 300.008 300.006 20 300.004 10 300.002 0 300 -10 -20 0 50 100 299.998 150 0 50 Temps (s) 100 150 Temps (s) Figure IV.25 : Courbes de puissance après application du Profil 2 Figure IV.26 : Tension du bus continu et sa référence après application du Profil 2 94 Stockage simple Stockage hybride 93.5 Stockage simple Stockage hybride 90.2 93 90 Etat de charge (%) Etat de charge (%) 92.5 92 91.5 91 90.5 90 X: 150 Y: 89.68 89.8 89.6 89.4 89.2 X: 150 Y: 89.21 89.5 89 89 0 50 100 150 Temps (s) 142 144 146 148 Temps (s) 150 152 Figure IV.27 : Etat de charge du pack de batteries après application du Profil 2 (en bleu : stockage simple avec pack de batteries seul, en rouge : stockage hybride) Dans ce cas, l’état de charge du stockage hybride évolue encore de la même manière que celui du stockage avec pack de batteries seul, avec une augmentation de la différence d’état de charge final qui passe de 0,10 % à 0,47 %. 117 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Test avec le profil 3 100 300.016 Pch [kW] PBV [kW] PSC [kW] 80 Vbusréf+0.01 vbus 300.014 300.012 300.01 Tension (V) 60 40 300.008 300.006 300.004 20 300.002 0 300 -20 299.998 0 50 100 150 0 50 100 150 Temps (s) Temps (s) Figure IV.28 : Courbes de puissance après application du Profil 3 Figure IV.29 : Tension du bus continu et sa référence après application du Profil 3 94 Stockage simple Stockage hybride Stockage simple Stockage hybride 90 93 89.8 Etat de charge (%) Etat de charge (%) 89.6 92 91 90 X: 150 Y: 89.52 89.4 89.2 89 88.8 88.6 89 X: 150 Y: 88.67 88.4 88.2 88 0 50 100 150 Temps (s) 143 144 145 146 147 148 149 Temps (s) 150 151 152 153 Figure IV.30 : Etat de charge du pack de batteries après application du Profil 3 (en bleu : stockage simple avec pack de batteries seul, en rouge : stockage hybride) Comme précédemment, lors d’un test avec le Profil 3, l’état de charge du stockage hybride évolue de la même manière que celui du stockage avec pack de batteries seul, avec une augmentation de la différence d’état de charge final qui passe de 0,47 % à 0,85 %. 118 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Lorsque l’on applique un pic de puissance, le pack de batteries est fortement sollicité, se traduisant par une baisse importante de son état de charge final. En associant le pack de supercondensateurs à celui de batteries (stockage hybride), on aperçoit une croissance de l’état de charge final par rapport à celui obtenu pour un stockage simple. Profil 1 Profil 2 Profil 3 Etat de charge pour un stockage simple [%] 90.60 89.21 88.67 Etat de charge pour un stockage hybride [%] 90.70 89.68 89.52 ΔEDC [%] 0.10 0.47 0.85 Gain [kWh] 0.01889 0.08878 0.16056 Tableau IV.3 : Comparaison de l’état de charge final du pack de batteries pour les deux types de stockage après application des différents profils de puissance Bien qu’un pack de supercondensateurs ne soit pas une source énergétique, il a permis d’apporter au pack de batteries un gain en état de charge final de 0.85 % (test avec le Profil 3), ce qui équivaut à une énergie de 0.16056 kWh. Le tableau IV.3 démontre que le gain en énergie est d’autant plus important que la décharge que subit le pack de batteries soit plus profonde. IV.7 Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté une stratégie de contrôle permettant de gérer les flots d’énergie dans un système hybride associant deux sources, à savoir : un pack de batteries au lithium-ion considéré autant que source d’énergie, et un pack de supercondensateurs lui même source de puissance. Cette stratégie de contrôle, appelée : contrôle par platitude, consiste à générer des trajectoires de référence pour l’énergie électrostatique contenue dans le condensateur du système multi-sources. Elles permettent de définir l’évolution de toutes les variables du système, sans avoir à résoudre aucune équation différentielle. 119 Chapitre IV : Contrôle par platitude de la source hybride batteries/supercondensateurs ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– A travers les résultats obtenus, nous avons prouvé que : - Quelle que soit l’évolution de la puissance consommée par la charge, la tension du bus continu est bien contrôlée et régulée à sa tension de référence, tout en gardant les états de charge des packs de batteries et de supercondensateurs dans des valeurs acceptables. - Dans des conditions de fortes sollicitations, le pack de supercondensateurs permet à celui de batteries de fonctionner dans des conditions raisonnables en limitant les fortes décharges et en le maintenant dans un état de charge supérieur. Ainsi, la durée de vie du système de stockage s’accroît. 120 Conclusion générale Conclusion générale ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Conclusion générale La hausse inéluctable du coût des produits pétroliers ainsi que la nécessité impérieuse de réduire les émissions de CO2 imposent de trouver de nouvelles voies technologiques pour nos véhicules du futur. Ainsi, l’électrification, la traction électrique et l’hybridation qui sont les principales voies, permettent une réduction importante de la consommation du carburant tout en favorisant l’utilisation d’énergies renouvelables. Cela étant, le vehicule électrique demeure à ce jour une solution alternative vis-à-vis du pétrole. Les niveaux de rejets (émissions de CO 2 et sonores) de ce type de véhicules restent en deçà de ceux affichés par le véhicule thermique. Le véhicule électrique ne constitue pas pour autant une solution miracle. L’autonomie et le temps de ravitaillement demeurent leurs principaux points faibles, d’où la standardisation des systèmes de recharge électrique apparaît comme une voie importante pour leur déploiement. L’objectif principal de ce mémoire était : - De proposer un système de recharge hybride utilisant l’énergie photovoltaïque verte et renouvelable, afin de permettre au véhicule électrique de se recharger une fois qu’il se parque au garage de la maison, - De définir une stratégie de contrôle de la source hybride à bord du véhicule, constituée d’un pack de batteries au lithium-ion considéré comme source principale, et d’un pack de supercondensateurs considéré autant que source auxiliaire. Dans le premier chapitre, nous avons rappelé des généralités sur la production de l’énergie électrique photovoltaïque, où l’éclairement et la température ambiante constituent un facteur déterminant. Après avoir rappelé les différentes techniques de recherche du point de puissance maximale du générateur photovoltaïque, nous avons choisi la technologie de stockage, et découvert que les batteries au plomb s’avèrent les plus adaptées pour les systèmes photovoltaïques autonomes. Le développement et succès d’un véhicule électrique dépendent de la mise à disposition d’infrastructures de recharge appropriées. Dans ce but, nous avons présenté dans le deuxième chapitre les différentes configurations des véhicules électriques, et détaillé les éléments de stockage susceptibles d’être utilisés dans ces applications, dont l’utilisation des 122 Conclusion générale ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– supercondensateurs semble intéressante comme source de puissance transitoire. La recharge d’un véhicule électrique s’effectue par différents moyens. En effet, on peut déjà trouver des sources électriques à différents endroits, à la maison, au bureau, sur la route, etc. Pour évaluer les performances du système de recharge hybride, nous avons apporté une attention particulière à l’élaboration des différents modèles des composants constituant ce système, en considérant différentes conditions d’éclairement et le choix d’une source de stockage efficace. Les résultats obtenus dans le troisième chapitre prouvent de bonnes performances du système d’où la recharge du pack de batteries au plomb-acide à 77.62 % (voir figure III.28) malgré un fonctionnement dans des conditions climatiques défavorables (durant le mois de Décembre). Nous avons démontré aussi que les 77.62 % peuvent recharger les packs de supercondensateurs et de batteries au lithium-ion à 99.99 % et 93.92 % (voir figures III.30 et III.31), respectivement. Ces résultats reflètent les bons dimensionnement et modélisation des composants du système de recharge. Dans le quatrième chapitre, nous avons développé une stratégie de contrôle permettant d’assurer la gestion des flots d’énergie dans le système multi-sources constitué de l’hybridation d’un pack de batteries au lithium-ion et un pack de supercondensateurs. La stratégie proposée repose sur la gestion d’énergie via des trajectoires de référence de certaines grandeurs énergétiques du système. Pour ce faire, la tension du bus continu est choisie comme variable à réguler, d’où la planification de la trajectoire de l’énergie capacitive et l’utilisation des packs permet de garantir la stabilité de la tension du bus quelle que soit l’évolution de la puissance absorbée par la charge. L’utilisation des supercondensateurs s’avère très bénéfique. Ils permettent, comme nous l’avons prouvé dans le paragraphe IV.6, d’apporter au pack de batteries un gain en énergie (un plus d’environ 0.16 kWh par rapport à un système avec stockage simple, dans le cas d’un test avec le troisième profil) tout en le maintenant dans un raisonnable état de charge final. En plus, la présence du pack de supercondensateurs permet d’avoir une baisse de la taille du pack de batteries sans affecter le fonctionnement normal du système. Enfin, les principales perspectives que peut offrir ce travail s’orientent vers : 1) La validation expérimentale des lois de commande utilisées, 2) L’utilisation des bancs de type HIL (Hardware In the Loop). Cette technologie consiste à simuler une architecture hybride complète afin de tester la batterie dans des conditions d'utilisation réelles sans avoir à développer un véritable véhicule. Grâce au 123 Conclusion générale ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– banc HIL batterie, nous pouvons désormais tester avec un seul et même banc différentes formules de batteries destinées à des véhicules variés, véhicules légers, poids lourds, bus, etc. De ce qui précède, nous pourrons affirmer que les nouvelles découvertes technologiques permettront à l’humanité de sortir de sa stagnation, et de se hisser ainsi à de meilleures conditions de vie. 124 Annexe Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Annexe 1 : Les accumulateurs au Lithium-Ion Commercialisées en 1991 par Sony pour des appareils mobiles, les accumulateurs au lithium ont vu le jour seulement en 2005 dans l’industrie automobile [Bre 10]. Ils sont fort prometteurs vue que leurs énergie et puissance massiques, respectivement 150 Wh.kg -1 et 300 W.kg-1, sont très élevées par rapport à la technologie plomb-acide. Le lithium est en effet le plus léger des métaux et possède un potentiel électrochimique élevé, ce qui en fait le métal le plus attractif pour constituer l'électrode négative d'un accumulateur. Figure A.1.1 : Batterie au lithium-ion GS YUASA LIM30H [Ino 07] A.1.1 Principe de fonctionnement d’un accumulateur au Lithium Il existe deux types d’accumulateur au lithium. Les accumulateurs «Lithium Carbone» ou «Lithium-Ion» et les accumulateurs «Lithium-Métal». Mais, le principe de fonctionnement d'un accumulateur au lithium est le même selon qu'est utilisée une électrode négative de lithium métallique ou à base de carbone. En cours d'utilisation, donc lors de la décharge de l'accumulateur, le lithium relâché par l'électrode négative sous forme ionique Li+ migre à travers l’électrolyte conducteur ionique et vient s'intercaler dans le réseau cristallin du matériau actif de l'électrode positive (composé d'insertion du lithium de type oxyde métallique). Le passage de chaque ion Li+ dans le circuit interne de l'accumulateur est exactement compensé par le passage d'un électron dans le circuit externe, générant ainsi un courant électrique. La figure A.1.2.a montre le fonctionnement d’un accumulateur lithium métal. L’électrode métallique libère un ion qui vient s’insérer dans l’électrode positive. Dans le cas du lithium-ion (figure A.1.2.b), appelé ainsi car le lithium n'est jamais sous forme métallique dans l'accumulateur, le lithium fait « le 126 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– va-et-vient » entre les deux composés d'insertion du lithium contenus dans les électrodes positive et négative à chaque charge ou décharge de l'accumulateur. Pendant la recharge, des ions lithium viennent s'insérer dans la structure de l'électrode négative en carbone graphite, d'où le nom donné à ce type d'accumulateurs. Lors de la décharge, la structure en carbone de l'anode libère alors ces ions qui viennent se replacer dans la structure de la cathode. Figure A.1.2 : Principe de fonctionnement des accumulateurs au lithium [Sai 04] A.1.2 Eléments technologiques Un accumulateur électrochimique au lithium-ion compose généralement de [Sai 04]: 1) L'électrode positive composée de structures en couches est constituée d'un oxyde du type LiMO2 (M pour métal) pour les accumulateurs Lithium-Ion. Actuellement, trois oxydes sont utilisables : LiCoO2, LiNiO2 et LiMn2O4. Vu le coût très élevé de l'oxyde de cobalt allié au lithium, seuls les deux autres oxydes sont utilisés. Pour une électrode positive composée de structures spinelles, on utilise des dérivés de LiMn2O4, LiMnO2 et de LiFeO2. Enfin, pour des accumulateurs «lithium-métal», ce sont l’oxyde de vanadium, l’oxyde de manganèse ou des polymères conducteurs qui sont utilisés. 2) L’électrode négative qui est réalisée en composés carbonés : graphite, carbones hydrogénés, carbones durs, oxydes mixtes de vanadium amorphes, oxydes mixtes à base d’étain ou d’oxydes mixtes à base de titane. Elle sert de matériau d’insertion, elle n’est donc pas modifiée lors de la réaction. 3) Le séparateur : constitué d'une membrane polymère microporeuse qui reprend les mêmes propriétés que celles des accumulateurs au plomb. 127 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4) L'électrolyte est une solution de LiPF6 dans un mélange de solvants organiques. Il se trouve soit sous forme liquide, soit sous forme solide (polymère sec, polymère gélifié ou composé organique vitreux). Sa nature fixe la tension maximale d’utilisation de l’accumulateur. Pour un polymère sec, la tension maximale ne peut excéder 3.5 V, alors qu’elle peut atteindre 4.8 V pour un liquide ou un gel. De plus, le transport des ions ne modifiant pas l'électrolyte, la résistance interne est pratiquement indépendante de l'état de charge et ne varie notablement qu'avec la température. Figure A.1.3 : Vue éclatée d’un élément MP176065 de la société Saft [Urb 09] A.1.3 Synthèse des caractéristiques de la technologie lithium-ion Parmi les propriétés caractérisant les accumulateurs électrochimiques, on peut citer de façon non exhaustive l’énergie spécifique [Wh.kg-1] ou volumique [Wh.l-1], la puissance spécifique [W.kg-1] ou volumique [W.l-1], la durée de vie, la maintenance, la fiabilité, le coût, la conservation des propriétés à basse et à haute températures. Dans les applications portables grand public, l’encombrement et la masse sont des critères déterminants. Dans le domaine industriel, la durée de vie devient prépondérante. De tous ces points de vue, la technologie lithium-ion offre des avantages évidents [Urb 09]: - Tension de fonctionnement élevée, - Energie spécifique élevée, - Energie volumique élevée, - Longue durée de vie en cyclage, - Faible autodécharge, - Pas d’effet mémoire, 128 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Pas de maintenance, - Large plage d’utilisation en température (de -30 °C à 60 °C). Malgré leurs avantages, Il faut tout de même garder le regard sur leur [Bou 10]: - Faible puissance par rapport aux supercondensateurs, - Coût très élevé. A.1.4 Performances techniques Le tableau A.1.1 résume les performances techniques des accumulateurs aux lithiumion de tension 4 Volts. Température de fonctionnement 0 à 50 °C Energie 80 à 120 Wh/kg 150 à 250 Wh/dm3 Nombre de cycles profonds 200 à 1000 Puissance massique 50 à 200 W/kg Rendement charge/décharge Energétique : de 85 à 100 % Faradique : de 90 à 100 % 10 % par mois Auto-décharge Impact environnemental Sels de lithium et oxydes recyclés Solvants polymère et carbone inerté Utilisation du cobalt → très toxique Sécurité Problème de stabilité mécanique Echauffement et risques d’explosion en surcharge Stockage longue durée : 30 à 50 % de l’état de charge Tableau A.1.1 : Principales données techniques des accumulateurs au lithium-ion [Lab 06] 129 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Annexe 2 : Les supercondensateurs Le condensateur fût inventé au 18ème siècle, en Europe. Il fût toutefois utilisé de façon pratique par le chimiste anglais Michael Faraday, qui a d’ailleurs donné son nom à l’unité de mesure d’un condensateur, soit le farad [F]. Un supercondensateur se présente sous la même forme qu’un condensateur électrochimique classique à la seule différence qu’il ne possède pas de couche diélectrique dans sa partie électrolytique liquide (figure A.2.1). L’isolement entre les deux électrodes se fait par l’intermédiaire du solvant contenu dans l’électrolyte. En effet, les supercondensateurs n’exploitent pas la polarisation diélectrique pour le stockage de l’énergie mais la double couche électrique qui apparaît à l’interface électrode-électrolyte. Figure A.2.1 : Différence entre un supercondensateur et un condensateur classique [Sai 04] A.2.1 Principe de fonctionnement d’un supercondensateur Le principe général de fonctionnement des supercondensateurs repose sur la formation d’une double couche électrochimique à l’interface d’un électrolyte et d’une électrode polarisable de grande surface spécifique. L’application d’une différence de potentiel aux bornes du dispositif complet entraîne le stockage électrostatique de charges aux deux interfaces électrode-électrolyte. Le principe de fonctionnement peut être décomposé en fonction des 4 états différents du composant [Lac 04]: - Déchargé, - En charge, - Chargé, - En décharge. 130 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– A.2.1.1 Etat déchargé Figure A.2.2 : Etat déchargé d’un supercondensateur [Lac 04] A l’état déchargé et sans aucune alimentation, une accumulation de charge se crée spontanément à l’interface électrode-électrolyte aussi bien du côté de l’électrode (qel) que du côté de l’électrolyte (qion). qel et qion sont respectivement les charges de nature électronique et ionique par unité de surface. La condition d’électroneutralité impose qel = - qion. Un potentiel, dit potentiel d’abandon apparaît alors à chaque interface, le signe et l’amplitude de ce potentiel est spécifique de chaque couple électrode-électrolyte. Cette accumulation de charges correspond à la double couche électrochimique (son épaisseur est de quelques nanomètres). A.2.1.2 En charge Figure A.2.3 : Etat d’un supercondensateur en charge [Lac 04] Lors de l’application d’une différence de potentiel aux bornes du supercondensateur, la distribution des charges aux deux interfaces va être modifiée. L’une d’entre elles passant par son potentiel de charge nulle tandis que l’autre voit augmenter l’accumulation de charges. Il y a donc une augmentation du potentiel. 131 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– A.2.1.3 Etat chargé Figure A.2.4 : Etat chargé d’un supercondensateur [Lac 04] Si la charge est poursuivie jusqu’à la valeur maximale Umax du potentiel applicable, les deux doubles couches électrochimiques se comportent comme deux condensateurs et voient donc leurs charges augmentées selon une loi du type Q = CU. A l’état chargé, la capacité totale du dispositif résulte des capacités (C1 et C2) des deux interfaces en série et est donc donnée par : A.2.1.4 En décharge Figure A.2.5 : Etat d’un supercondensateur en décharge [Lac 04] Lors de la décharge, les ions et les électrons suivent le chemin inverse et un courant électrique est utilisable dans le circuit extérieur. Nous remarquons par cette propriété que le supercondensateur développe dans sa structure interne deux capacités et non une comme le condensateur classique (qui se situe à l’anode). Pour utiliser au maximum la couche double électrique, les matériaux utilisés pour les électrodes doivent avoir de grande faculté à conduire 132 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– les charges électroniques et donc possèdent des surfaces spécifiques élevées supérieures à 1000 m²/g, telles que le carbone activé. A.2.2 Différentes familles Deux grandes familles de supercondensateurs sont en concurrence, elles se différencient par leurs matériaux d’électrodes et leurs électrolytes. Electrode Electrolyte Moyen de stockage de l’énergie Charbon actif Acide sulfurique Organique Condensateur de double couche Matériau métallique Polymère conducteur Acide sulfurique Organique Double couche + processus faradiques réversibles Energie massique [Wh/kg] 0.2 à 1.1 2 à 4.2 2.7 à 5.5 11 Puissance massique [kW/kg] 1 à 10 0.1 à 2 10 à 100 100 Capacité massique [F/g] 120 à 180 60 à 100 600 200 à 400 Tension [V] 0.8 à 1.2 2à3 0.8 à 1.2 2.5 Cyclabilité > 100000 > 100000 > 100000 10000 à 100000 Tableau A.2.1 : Différentes familles de supercondensateurs [Can 02] [Sai 04] A.2.3 Système d’équilibrage La tension maximale en charge d’un élément de supercondensateur est limitée pour des raisons technologiques à une tension de 2.5V. De ce fait l’utilisation des supercondensateurs dans des applications de forte puissance ne peut se faire quand associant plusieurs éléments en série pour pouvoir atteindre des tensions importantes. Cette association en série ne peut se faire simplement car la valeur de chaque élément varie. De ce fait les 133 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– tensions en fin de charge seront différentes entre chaque élément. Pour palier ce problème, il faut mettre en place un système d’équilibrage des tensions. Nous pourrons ainsi exploiter pleinement les capacités de stockage des éléments. De plus ce système permet d’éviter les surtensions aux bornes des éléments. Il existe différents types de circuit d’équilibrages, comme ceux constituées de résistances ou de diodes zéner. A.2.3.1 Système d’équilibrage avec résistances La structure de ce système est très simple puisque elle consiste à connecter une résistance en parallèle avec chaque élément de supercondensateur. Figure A.2.6 : Equilibrage avec résistances [Lac 04] La valeur de la résistance est déterminée par plusieurs critères. Le critère principal est de limiter la valeur maximale de la tension aux bornes de l’élément. Cette structure a trois inconvénients : - Limitation de la dynamique du pack de supercondensateurs, - Rendement très faible (10 %) lié à la dissipation d’énergie dans les résistances, - L’équilibrage est calculé pour une valeur de courant donnée. A.2.3.2 Système d’équilibrage avec diodes zéner Les diodes zéner sont mises en parallèle avec les éléments de supercondensateurs. Figure A.2.7 : Equilibrage avec diodes zéner [Lac 04] 134 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– La tension maximale acceptée par les éléments de supercondensateur détermine la tension zéner des diodes. Cette solution offre cependant un meilleur rendement (90 %) et une meilleure dynamique que le système résistif. Le principal inconvénient de cette solution est l’utilisation des diodes zéner qui dissipent de l’énergie quand la tension aux bornes de l’élément a atteint sa valeur maximale. Cette dissipation peut être très importante si beaucoup d’éléments atteignent leur tension limite. A.2.4 Applications potentielles des supercondensateurs Dans les applications qui se précisent actuellement, les supercondensateurs sont utilisés en remplacement et surtout en complément des piles et accumulateurs électrochimiques afin d'assurer la fonction puissance qui leur fait défaut. On trouvera ces composants dans les systèmes nécessitant une importante énergie délivrée en un temps bref. Les principaux secteurs concernés par les supercondensateurs sont [Bel 01]: - L’informatique et la télécommunication pour les petits composants à faible énergie spécifique, - Les alimentations de secours et l’automobile concernant les composants à haute énergie et haute puissance spécifiques, - Bien d’autres applications sont envisageables, et ce dans de nombreux secteurs d'activités : médical (défibrillateur), industriel (robotique) et militaire (canon électromagnétique). Dans le secteur automobile, et pour les applications de forte puissance telles que les véhicules électriques et hybrides en particulier, l’utilisation de supercondensateurs constitue terrain fertiles. Les batteries sont en général moins performantes en ce qui concerne le démarrage, l’accélération, la récupération d’énergie à cause de leurs puissances spécifiques relativement faibles [Ber 11]. Aussi, l’adjonction de supercondensateurs peut permettre d’allonger la durée de vie des batteries et d’améliorer les performances du système. A.2.5 Principaux constructeurs Un certain nombre d'entreprises ont investi dans la production industrielle de supercondensateurs. Citons en premier lieu les deux précurseurs japonais NEC et Panasonic, dont l'activité "supercondensateurs" a plus de trente années. Pour les dispositifs de puissance, il s’agit de la société Epcos avec sa gamme Ultracap, et de la société Maxwell avec sa gamme Boostcap Ultracapacitor [Aya 04]. Les deux sociétés utilisent la technologie d’électrodes à 135 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– base de charbon actif pulvérulent que celle à base de tissu de charbon actif, technologies qui conduisent à des dispositifs respectivement cylindriques et prismatiques. Le tableau A.2.2 résume les caractéristiques élémentaires des deux principales gammes des supercondensateurs. Constructeur (forme) Epcos (prisme) Epcos (cylindre) Maxwell (prisme) Maxwell (cylindre) Tension [V] 2.3 2.5 2.5 2.5 Capacité [F] 100 - 3600 200 - 5000 100 - 2700 450 - 2600 Résistance série [mΩ] 0.8 - 19 0.26 - 3 1 - 13 0.7 - 2.4 Courant nominal [A] 20 - 400 50 - 500 25 - 625 180 - 600 1.5 - 4.1 3.2 - 5.1 2.2 - 3.2 2.1 - 4.3 0.7 - 3 4.6 - 9.8 2.2 - 3.2 3.4 - 4.3 Energie spécifique [Wh.kg-1] Puissance spécifique [kW.kg-1] Tableau A.2.2 : Caractéristiques des éléments Epcos et Maxwell [Aya 04] Figure A.2.8 : Elément Maxwell BCAP0010 [Aya 04] Figure A.2.9 : Elément Epcos B49300-F1276-S [Bel 01] 136 Annexe ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– A.2.6 Avantages des supercondensateurs Les avantages apportés par les supercondensateurs sont nombreux : - Très grande puissance, - Durée de vie plus longue que les batteries, - Impact environnemental faible, - Très grande efficacité (près de 95 à 97 %), - Tension de « cellule » élevée, - Très haute densité de puissance, - Recharge extrêmement rapide, - Faible maintenance et simplicité de construction, - Récupération efficace de l’énergie au freinage. A.2.7 Désavantages des supercondensateurs Malgré leurs avantages, Il faut tout de même garder le regard sur leur [Bou 10]: - Coût élevé, - Moins grande densité énergétique, donc solution moins avantageuse que d’autres lorsqu’une autonomie pure électrique est demandée. 137 Références bibliographiques Références bibliographiques ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Références bibliographiques [Abo 03] A. Aboubou, S.E. Zouzou, ‘‘Contribution à la Compensation de la Pollution Harmonique en utilisant un Filtre Actif Parallèle Commandé par Logique Floue’’, Courrier du Savoir, N° 03, Université de Biskra, Algérie, Janvier 2003, pp. 59-63. [Ach 99] N. Achaïbou, ‘‘Introduction à l’Etude du Système de Stockage dans un Système Photovoltaïque’’, Revue des Energies Renouvelables : Valorisation, 1999, pp. 1-6. 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