Influence des stratégies de gestion d`une source hybride de

N° d’ordre : 293
CENTRALE LILLE
Présentée en vue
d’obtenir le grade de
DOCTEUR
En
Spécialité : Génie électrique
Par
Tedjani MESBAHI
DOCTORAT DELIVRE PAR CENTRALE LILLE
Titre de la thèse :
Influence des stratégies de gestion d’une source
hybride de véhicule électrique sur son
dimensionnement et sa durée de vie par intégration
d’un modèle multi-physique
Soutenue le 25/03/2016 devant le jury d’examen :
Président
Luc LORON, Professeur, Polytech’ Nantes, Saint-Nazaire
Rapporteur
Jean-Michel VINASSA, Professeur, Bordeaux INP
Rapporteur
Pascal VENET, Professeur, Université Claude Bernard Lyon 1
Membre
Richard BURKE, Lecturer Mec. Eng, University of Bath (Royaume-Uni)
Co-encadrant
Nassim RIZOUG, Enseignant chercheur, ESTACA-Laval
Co-encadrant
Patrick BARTHOLOMEUS, Maître de Conférences, Centrale Lille
Directeur de thèse
Philippe LE MOIGNE, Professeur, Centrale Lille
Invité
Jean-Michel DEPOND, Responsable Modélisation Produits, Blue Solutions
Invité
Isabelle BOUESSAY, Responsable d’UEI stockage, PSA Peugeot-Citroën
Invité
Jean-Marie LAURENT, Responsable unité mécatronique, R&D GRUAU
Thèse préparée dans les Laboratoires S2ET ESTACA’LAB-Laval & L2EP-Lille
Ecole Doctorale SPI 072 (Centrale Lille)

i
Remerciements
Les travaux de recherches présentés dans ce manuscrit de thèse sont le fruit d’une
collaboration entre le pôle Système et Energie Embarquée dans le Transport (S2ET) du
laboratoire ESTACA’LAB de Laval et l’équipe électronique de puissance EP du Laboratoire
d’Electrotechnique et Electronique de Puissance (L2EP) de Lille.
Je tiens, tout d’abord, à remercier Monsieur Philippe LE MOIGNE, professeur à
Centrale Lille, d’avoir accepté de diriger mes travaux de recherches et pour ses conseils,
corrections et aides précieuses qui m’ont permet de progresser tout au long de ce travail. Je
tiens à dire un grand merci à Monsieur Patrick BARTHOLOMEUS, maitre de conférences à
Centrale Lille pour ses qualités humaines et ses conseils précieux durant toutes les phases du
travail.
Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à Monsieur Nassim RIZOUG,
enseignant chercheur à l’ESTACA-Laval, pour son excellent encadrement, sa disponibilité, sa
gentillesse, ses qualités humaines et pour tout ce qu’il m’a apporté durant la thèse.
J’exprime ma plus profonde gratitude à Monsieur Luc LORON, Professeur à Polytech’
Nantes, Saint-Nazaire, pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de présider le jury.
Mes remerciements vont également aux rapporteurs, Monsieur Jean-Michel VINASSA,
professeur à Bordeaux INP, et Monsieur Pascal VENET, professeur de l’université de Claude
Bernard Lyon 1, pour l'intérêt qu'ils ont porté à mon travail et pour les remarques constructives
sur la poursuite de mes travaux.
J’adresse mes sincères remerciements à : Monsieur Richard BURKE, Lecturer Mec.
Eng, de l’université de Bath (Royaume-Uni), Monsieur Jean-Michel DEPOND, Responsable
Modélisation Produits à Blue Solutions, Madame Isabelle BOUESSAY, Responsable d’UEI
stockage à PSA Peugeot-Citroën, et Monsieur Jean-Marie LAURENT, Responsable unité
mécatronique à R&D GRUAU, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner mon
travail de thèse.
Je souhaite remercier chaleureusement Monsieur Cherif LAROUCI, Responsable du
Pôle S2ET ESTACA’LAB, pour m'avoir donné des conditions très favorables au
développement et à la valorisation de mes travaux de recherches au sein de son équipe, pour
ses qualités humaines et pour ses nombreux encouragements et conseils.
Mes remerciements seraient incomplets si je ne mentionnais pas l'ensemble des
membres des équipes de recherche de l’ESTACA-Laval et l’équipe électronique de puissance
EP du Laboratoire L2EP de Lille pour leur accueil et les moments agréables passés avec eux,
en particulier Fouad, Yann , Lyes, Mohcine, Redha, Sylvio.
Enfin j’adresse mes remerciements les plus affectueux à mes parents, ma chère mère
Meriem qui représente pour moi la source de tendresse et l’exemple du dévouement qui n’a pas
cessé de m’encourager et de prier pour moi, mon cher père Mohammed Tahar qui a consacré
toute sa vie à mon éducation. Je dédie également cette thèse à ma très chère femme Amira, qui
m’a supporté tout au long de cette thèse et pour son soutien moral.

Table des matières
ii
Table des matières
I.1 Introduction .................................................................................................................... 3
I.2 Contexte énergétique et aspects environnementaux ....................................................... 3
I.2.1 Défis énergétiques .................................................................................................... 3
I.2.2 Problèmes environnementaux .................................................................................. 4
I.2.3 Evolution des normes d’émission automobile ......................................................... 6
I.2.4 Evolution des performances des véhicules thermiques............................................ 9
I.3 Véhicules hybrides et électriques ................................................................................. 10
I.3.1 Véhicules hybrides ................................................................................................. 10
I.3.1.1 Architecture série ............................................................................................ 11
I.3.1.2 Architecture parallèle ..................................................................................... 11
I.3.1.3 Architecture série/parallèle ............................................................................. 12
I.3.2 Véhicules électriques ............................................................................................. 12
I.3.2.1 Système de stockage : le maillon faible .......................................................... 13
I.4 Hybridation des sources d’énergie embarquées ........................................................... 16
I.4.1 Principe d’hybridation des sources d’énergie ........................................................ 16
I.4.2 Solutions d’hybridation des sources d’énergie ...................................................... 17
I.4.2.1 Hybridation des Piles à Combustible (PAC) .................................................. 17
I.4.2.2 Hybridation des batteries ................................................................................ 19
I.4.2.3 Bilan et choix de l’hybridation ....................................................................... 21
I.4.3 Couplage d’une source hybride.............................................................................. 22
I.4.3.1 Architecture en cascade avec un convertisseur DC / DC coté
Supercondensateur ........................................................................................................... 22
I.4.3.2 Architecture en cascade avec un convertisseur DC / DC coté batterie .......... 23
I.4.3.3 Architectures avec deux convertisseurs en cascade........................................ 23
I.4.3.4 Architecture avec deux convertisseurs en parallèle ........................................ 24
I.4.3.5 Couplage stockeurs sur la Plate-forme d’essais ESTACA-Laval .................. 25
I.5 Hybridation Batterie Li-ion HE/ Supercondensateurs ................................................. 25
I.5.1 Influence sur la masse de la source ........................................................................ 25

Table des matières
iii
I.5.2 Influence sur la durée de vie de la source .............................................................. 26
I.5.3 Bilan ....................................................................................................................... 27
I.6 Amélioration de la durée de vie de la source hybride par optimisation de la gestion
d’énergie ................................................................................................................................... 28
1.5. Conclusion .................................................................................................................... 30
II.1 Introduction .................................................................................................................. 31
II.2 Source hybride Batterie Li-ion / Supercondensateurs .................................................. 31
II.2.1 Batteries Li-ion ...................................................................................................... 31
II.2.1.1 Principe de fonctionnement ............................................................................ 31
II.2.1.2 Technologies des batteries Li-ion ................................................................... 32
II.2.1.3 Grandeurs caractéristiques des batteries Li-ion .............................................. 33
II.2.1.4 Coût des batteries Li-ion ................................................................................. 35
II.2.1.5 Batteries Li-ion et cellules choisies pour l’étude ........................................... 36
II.2.2 Caractéristiques des Supercondensateurs............................................................... 37
II.2.2.1 Principe de fonctionnement ............................................................................ 37
II.2.2.2 Technologies des Supercondensateurs ........................................................... 39
II.2.2.3 Grandeurs caractéristiques des Supercondensateurs ...................................... 40
II.2.2.4 Coût des supercondensateurs .......................................................................... 41
II.2.2.5 Supercondensateur choisi pour l’hybridation ................................................. 42
II.3 Modélisation du vieillissement des stockeurs .............................................................. 43
II.3.1 Mécanismes de vieillissement des batteries Li-ion ................................................ 43
II.3.1.1 Mécanismes de vieillissement de l’électrode négative ................................... 43
II.3.1.2 Mécanismes de vieillissement de l’électrode positive .................................... 44
II.3.1.3 Mécanismes de vieillissement de l’électrolyte et des collecteurs de courant . 45
II.3.2 Modélisation du vieillissement des batteries Li-ion .............................................. 45
II.3.2.1 Vieillissement calendaire et en cyclage .......................................................... 45
II.3.2.2 Modèles de vieillissement des batteries Li-ion ............................................... 46
II.3.2.3 Modèle de vieillissement retenu ..................................................................... 48
II.3.3 Modélisation du vieillissement des supercondensateurs ........................................ 49
II.3.4 Synthèse ................................................................................................................. 51
II.4 Modélisation multi-physique de la source hybride Batterie Li-ion /
Supercondensateurs .................................................................................................................. 52

Table des matières
iv
II.4.1 Contraintes des modèles et de l’identification des paramètres .............................. 54
II.4.1.1 Banc de tests pour le vieillissement des batteries Li-ion ................................ 54
II.4.1.2 Protocole de test de vieillissement en cyclage des batteries Li-ion ................ 55
II.4.1.3 Protocole de caractérisation temporelle .......................................................... 58
II.4.2 Modèles électriques des stockeurs ......................................................................... 58
II.4.2.1 Modélisation électrique des batteries Li-ion .................................................. 58
II.4.2.2 Identification des paramètres du modèle électrique batterie .......................... 64
II.4.2.3 Identification des paramètres du modèle choisie ............................................ 67
II.4.2.4 Modélisation électrique des supercondensateurs ............................................ 75
II.4.3 Modélisation thermique des stockeurs ................................................................... 83
II.4.3.1 Modélisation thermique des batteries Li-ion .................................................. 84
II.4.3.2 Modélisation thermique des supercondensateurs ........................................... 87
II.5 Identification du modèle de vieillissement des batteries Li-ion ................................... 90
II.6 Conclusion .................................................................................................................... 95
III.1 Introduction .................................................................................................................. 96
III.2 Etat de l’art des méthodes de gestion d'énergie ............................................................ 96
III.2.1 Méthodes de répartition des puissances à base d’optimisation .............................. 98
III.2.1.1 Stratégies de gestion hors ligne ...................................................................... 98
III.2.1.2 Stratégies de gestion en ligne ......................................................................... 99
III.2.2 Méthodes de répartition des puissances à base de règles ..................................... 100
III.2.2.1 Stratégies basées sur les règles floues ou les réseaux de neurones............... 100
III.2.2.2 Stratégie thermostat On/Off .......................................................................... 103
III.2.2.3 Stratégie basée sur la dynamique du véhicule .............................................. 103
III.2.2.4 Stratégie basée sur le choix du chemin le moins résistif .............................. 104
III.2.2.5 Stratégie fréquentielle ................................................................................... 105
III.2.2.6 Stratégie basée sur la limitation de puissance de la batterie ......................... 106
III.2.3 Synthèse des méthodes de gestion d'énergie ........................................................ 106
III.2.4 Méthodes de gestion de référence ........................................................................ 108
III.2.4.1 Stratégie de régulation énergétique des Supercondensateurs ....................... 109
III.2.4.2 Stratégies de gestion MG1, MG2, MG3, MG4 ............................................ 113
III.3 Dimensionnement de la source d’énergie embarquée ................................................ 114