Caractérisation et modélisation de composants de stockage

Caractérisation et modélisation
de composants de stockage
électrochimique et électrostatique
NATHALIE DEVILLERS

Année 2012 N° d’ordre : 2012125
Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Franche-Comté
Spécialité : Génie Electrique
par Nathalie DEVILLERS, Ingénieure ENSIEG
CARACTERISATION ET MODELISATION DE COMPOSANTS
DE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE ET ELECTROSTATIQUE
Jury :
Monsieur Pascal VENET Professeur des Universités Rapporteur, Président
Monsieur Serge PELISSIER Chargé de Recherche, HDR Rapporteur
Monsieur Xavier ROBOAM Directeur de Recherche CNRS Examinateur
Madame Marie-Laure GROJO Ingénieur Examinateur
Madame Marie-Cécile PERA Professeur des Universités Examinateur
Monsieur Alain BERTHON Professeur des Universités Examinateur
Monsieur Frédéric GUSTIN Maître de Conférences Examinateur
Monsieur Daniel HISSEL Professeur des Universités Examinateur
Thèse préparée sous la direction du Professeur Marie-Cécile Péra
à l’Institut FEMTO-ST / Département Energie / Unité Mixte de Recherche CNRS 6174

RESUME
La gestion d’un réseau électrique embarqué nécessite l’introduction de systèmes de stockage de
l’énergie pour assurer la stabilité et la qualité du réseau et garantir la disponibilité de l’énergie. Dans les
aéronefs conventionnels, les éléments de stockage de l’énergie sont sollicités particulièrement pour l’aide au
démarrage en début de mission ou le secours électrique en cas de panne. Depuis quelques années, on s’oriente
vers des aéronefs « plus électriques » pour des raisons de flexibilité d’utilisation et de réduction des coûts
d’utilisation, ce qui implique une consommation électrique plus élevée et un changement de périmètre
fonctionnel pour les systèmes de stockage. De plus, dans le domaine aéronautique, l’optimisation du
rendement énergétique global, la réduction des masses embarquées et la nécessité de répondre aux besoins
énergétiques croissants conduisent à développer de nouvelles technologies et méthodes pour générer
l’énergie électrique à bord, pour la distribuer, la convertir et la stocker.
Pour étudier le réseau de bord d’un aéronef, des simulations numériques de son fonctionnement sont réalisées
grâce à une modélisation des diverses sources et des consommateurs qui y sont connectés. Dans cette thèse,
des éléments de stockage de l’énergie sont caractérisés dans l’optique d’être modélisés.
Un état de l’art des différents moyens de stocker l’énergie électrique dans une application embarquée est
présenté en premier lieu. Parmi ces différents systèmes de stockage, sont retenus pour cette étude les
supercondensateurs et les accumulateurs électrochimiques Lithium-ion polymère, qui sont considérés
respectivement comme des sources de puissance et d’énergie, à l’échelle de l’application.
Ces moyens de stockage sont caractérisés en employant deux méthodes que sont la chronopotentiométrie à
courant constant et la spectrométrie d’impédance électrochimique. Les caractérisations sont effectuées dans
des conditions expérimentales, définissant le domaine de validité des modèles, en cohérence avec les
contraintes de l’application finale.
A partir de ces caractérisations, différents modèles sont développés en fonction de leur utilisation : des
modèles simples, fonctionnels et suffisants pour la gestion globale d’énergie et des modèles dynamiques,
comportementaux et nécessaires pour l’analyse de la qualité du réseau. Ces modèles sont ensuite validés sur
des profils de charge élaborés à partir de profils de mission de l’aéronef.
Pour disposer d’un système de stockage performant et en adéquation avec les besoins énergétiques de
l’aéronef, une méthode de dimensionnement est proposée, associant des composants de stockage dont les
caractéristiques énergétiques sont complémentaires. Une gestion fréquentielle des sources est évaluée et mise
en œuvre de manière à déterminer la répartition de l’énergie entre les sources qui permette une minimisation
de la masse du système de stockage.
Mots-clés :
Systèmes de stockage de l’énergie électrique, Accumulateurs électrochimiques Lithium-ion polymère,
Supercondensateurs, Hybridation/association de moyens de stockage, Gestion fréquentielle de l’énergie,
Dimensionnement d’un système de stockage