analyse technico-économique des chargeurs

PIERRE-OLIVIER ARVISAIS-MARTEL
ANALYSE TECHNICO-ÉCONOMIQUE DES
CHARGEURS BIDIRECTIONNELS NIVEAUX 1 ET 2
POUR VÉHICULES ÉLECTRIQUES
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie électrique
pour l’obtention du grade de Maître ès Sciences (M. Sc.)
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GÉNIE INFORMATIQUE
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2011
© Pierre-Olivier Arvisais-Martel, 2011

Résumé
Depuis déjà quelques années, la revente d’électricité à partir des accumulateurs de
véhicules à propulsion électrique (VPÉ) vers le réseau électrique, que l’on appelle communément
« Vehicle-to-Grid » (V2G), a fait l’objet de nombreuses études. Avec l’utilisation de plus en plus
répandue d’accumulateurs Li-ion dans les véhicules à propulsion électrique, la question du seuil de
rentabilité du prix de vente d’énergie en production V2G devient un facteur important. En effet, le
coût des accumulateurs Li-ion est très élevé alors que leurs vie utile est seulement de l’ordre de
1000 cycles de charge-décharge.
L’objectif de ce mémoire est d’élaborer les conditions permettant d’établir le seuil de
rentabilité technico-économique de la vente d’énergie électrique au réseau en production V2G
d’un véhicule à propulsion électrique alimenté par des accumulateurs Li-ion et équipé d’un
chargeur bidirectionnel niveau 1 et 2. Pour y arriver, plusieurs paramètres doivent être pris en
compte tels que le coût d’achat des accumulateurs, le nombre total de cycles de charge-décharge
pouvant être effectué avant que les accumulateurs ne doivent être remplacés, la caractéristique
coût-rendement du chargeur bidirectionnel, le coût d’achat d’électricité au réseau électrique et
finalement, la quantité d’énergie électrique pouvant être échangée avec le réseau électrique
durant une année.
Dans un premier temps, la topologie du chargeur bidirectionnel est choisie et une analyse
de sa caractéristique coût-rendement est calculée. Par la suite, des cycles de charge-décharge à
différentes profondeurs de décharge sont effectués sur des accumulateurs Li-ion afin de quantifier
leurs dégradations. L’élaboration d’une équation de seuil de rentabilité, combinée aux résultats de
l’analyse de la caractéristique coût-rendement et de la quantification de la dégradation des
accumulateurs Li-ion, permet de déterminer l’influence du coût et du rendement du chargeur
bidirectionnel et de la dégradation des accumulateurs Li-ion sur le prix de vente d’énergie
électrique en production V2G.

ii
Abstract
In recent years, the use of electricity routed from batteries of plug-in electric vehicles
(BEVs: battery electric vehicles and PHEVs: plug-in hybrid electric vehicles) to the power grid for
resale purposes, a concept commonly referred to as Vehicle-to-Grid (V2G), has been the subject of
numerous studies. With manufacturers opting more frequently for lithium-ion batteries in the
production of such plug-in electric vehicles, the profitability in terms of resale price of such V2G-
produced energy is put into question. Indeed, Li-ion batteries are rather expensive given their
lifespan of approximately 1000 charge-discharge cycles.
The ultimate purpose of this Master’s essay is to determine a set of principles to allow for
the establishment of an equally lucrative and technologically-economic plan regarding the resale
of V2G-produced electrical energy as the result of BEVs and PHEVs equipped with Li-ion batteries
supplied by grade 1 and 2 bidirectional chargers. In order to successfully accomplish this feat,
numerous factors must be taken into consideration: the cost of such batteries and their durability
relative to their maximum attainable number of charge-discharge cycles; the return value of
bidirectional chargers; the expenses incurred by the power network in purchasing such electricity;
the maximum permissible quantity of electric energy that can be exchanged with the electric grid
per year.
Initially, the topology of a chosen bidirectional charger undergoes a mathematical analysis
of its performance output with regard to its overall cost. Subsequently, multiple charge-discharge
cycles are conducted on the lithium-ion batteries at varying discharge intensities in order to
evaluate the cells’ deterioration. The former results, combined with the development of a formula
for the financial break-even point, demonstrates the effects of a bidirectional charger’s expense
and performance, along with the degeneration of Li-ion batteries, on the resale price of V2G-
produced electrical energy.

Avant-propos
Ce travail de mémoire a été accompli au Laboratoire d’Électrotechnique, Électronique de
Puissance et Commande Industrielle (LEEPCI) du département de Génie Électrique et Informatique
à l’Université Laval.
J’aimerais d’abord remercier M. Maxime Dubois pour avoir accepté la direction de ce
mémoire ainsi que pour son soutien financier, sa rigueur, ses conseils toujours avisés et pour sa
confiance à mon égard. Je tiens également à le remercier pour m’avoir encouragé et m’avoir aidé
lors de mes participations à la présentation de Poster lors de la conférence annuelle d’Auto21 à
Windsor (juin 2010), à la conférence EV 2010 VE à Vancouver (septembre 2010) et au Rallie des
Énergie Alternative (octobre 2010). Ces activités furent pour moi des opportunités extraordinaires
pour en apprendre davantage sur le milieu des véhicules électriques.
Je voudrais remercier Auto21 qui m’a fourni le financement lors de mes recherches tout
au long de ma maîtrise.
Merci à Mme. Christiane Duquet et Catherine Jauvin pour m’avoir consacré de leur temps
pour la correction de mon texte.
Merci à mes parents Manon et René pour m’avoir encouragé tout au long de mes études
universitaires, pour leur confiance en mes capacités et leur judicieux conseil lorsque le doute
m’envahissait.
Finalement, merci à ma fiancée Maryse Lemieux pour son support lors des moments
difficiles, ces moments où la solution ne semble pas encline à se montrer le bout du nez et où la
lumière au bout du tunnel n’est encore qu’un petit pixel.
Ce mémoire n’aurait pas vu le jour sans l’aide et le support de vous tous. Merci !

Table des matières
Résumé ................................................................................................................................................. i
Abstract ................................................................................................................................................ ii
Avant-propos ....................................................................................................................................... iii
Table des matières .............................................................................................................................. iv
Liste des tableaux .............................................................................................................................. viii
Liste des figures ................................................................................................................................... ix
Liste de variables ................................................................................................................................ xii
Introduction ........................................................................................................................................ 1
Chapitre 1 : Revue de la littérature scientifique sur le concept V2G, les différents types de véhicule
à propulsion électrique et sur les chargeurs bidirectionnels .............................................................. 4
1.1 Introduction .............................................................................................................................. 4
1.2 Véhicules à propulsion électrique ............................................................................................. 4
1.3 Concept V2G.............................................................................................................................. 5
1.3.1 Type de marché pour les transferts V2G ........................................................................... 6
1.3.2 Comparaison entre la puissance du réseau électrique et la puissance d’une flotte de
véhicule ....................................................................................................................................... 7
1.3.3 Soutien et stockage ............................................................................................................ 9
1.3.4 Viabilité économique des transferts V2G ........................................................................ 10
1.3.5 Conclusion sur les transferts V2G .................................................................................... 11
1.4 Topologie de chargeurs bidirectionnels .................................................................................. 11
1.4.1 Compensation de puissance réactive .............................................................................. 12
1.4.2 Vehicle-to-home (V2H) .................................................................................................... 14
1.4.3 Chargeur bidirectionnel issue de l’électronique du véhicule........................................... 15
1.5 Conclusions sur la revue de littérature scientifique ............................................................... 17
Chapitre 2 : Topologie du chargeur bidirectionnel ........................................................................... 18
2.1 Introduction ............................................................................................................................ 18
2.2 Caractéristiques générales d’un chargeur bidirectionnel ....................................................... 18
2.3 Topologie proposée du chargeur bidirectionnel ..................................................................... 20
2.3.1 Fonctionnement en charge .............................................................................................. 20
2.3.2 Fonctionnement en décharge .......................................................................................... 22
2.3.3 Tension de blocage des transistors du chargeur bidirectionnel ...................................... 22