Mémoire de thèse

UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE DE COMPIEGNE
THESE
pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité: Technologie de l’Information et des Systèmes (TIS)
Par
Stéphane BUTTERBACH
Stockage d’énergie électrique par association de batteries au
plomb et de supercondensateurs pour véhicule lourd
Laboratoire d’Electromécanique, EA1006
Laboratoire d’accueil : Laboratoire des technologies nouvelles de l’IFSTTAR
Soutenu le 20 septembre 2012 devant le jury constitué de :
Rapporteurs :
Alain BOUSCAYROL
Pascal VENET
Professeur, L2EP, USTL, Lille
Professeur, Ampère, Université Lyon 1
Examinateurs :
Jean-Louis BOUYSSET
Olivier BRIAT
Guy FRIEDRICH
Expert, Nexter Systems
Maître de Conférences, Université Bordeaux 1
Professeur, LEC, UTC, Compiègne
Directeurs :
Encadrant :
Gérard COQUERY
Christophe FORGEZ
Bogdan VULTURESCU
Directeur de Recherche, LTN, IFSTTAR, Versailles
Professeur, LEC, UTC, Compiègne
Chargé de recherche, LTN, IFSTTAR, Versailles

Remerciements
Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire de thèse sont le fruit d’une
collaboration entre le Laboratoire des Technologies Nouvelles (LTN) de L’Institut Français des
Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR, né le 1 janvier
2011 de la fusion de l’INRETS et du LCPC) et le Laboratoire d’Electromécanique de Compiègne (LEC)
de l’Université de Technologie de Compiègne (UTC).
Je tiens à remercier Monsieur Christophe FORGEZ, Professeur à l’Université de Technologie de
Compiègne pour le temps qu’il m’a consacré et les nombreux conseils qu’il m’a prodigués, ainsi que
Monsieur Gérard COQUERY, Directeur de recherche du Laboratoire des Technologies Nouvelles, et
Monsieur Bogdan VULTURESCU, Chargé de recherche au Laboratoire des Technologies Nouvelles,
pour m’avoir permis de réaliser cette thèse, d’avoir mis à ma disposition les moyens du laboratoire
ainsi que pour leur encadrement.
J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur Alain BOUSCAYROL, Professeur de
l’Université de Lille 1 et Monsieur Pascal VENET, Professeur à l’Université de Bordeaux 1, pour avoir
accepté de rapporter sur ce travail et de m’avoir conseillé pour ce mémoire malgré leur calendrier
très chargé.
Je remercie bien sûr les collègues de travail du LEC pour leur chaleureux accueil,
malheureusement je n’y faisais que de trop court passage, et les collègues de travail du LTN : Manu,
Abdelfatah, François, et surtout les cafés de Jean-Pierre, ainsi qu’Alexandre, Richard et Laurent.
Pour finir, je tiens a remercier ma famille qui m’a soutenue tout au long de cette thèse et tous
les amis parisiens qui m’ont permis de me sortir de cette thèse, en commençant par mes
colocataires, Souad, Antoine, Sullivan et Naoli, ainsi que Jonathan, Leila, Smahane, Sony, Nada,
Julien, Sébastien, Sarah, Christelle …

Résumé :
Ce travail propose une étude sur l’analyse et le dimensionnement d’un sous-système de
stockage d'énergie électrique, par l'association des batteries au plomb et supercondensateurs, avec
application à un véhicule urbain de type benne à ordure ménagère (véhicules électriques - poids
lourds). Ces travaux rentrent donc dans la problématique très actuelle de réduction de
consommation et de pollution des véhicules terrestres.
La modélisation de la benne à ordures ménagères a pris en compte le profil de mission
journalière (dérivé d'ARTEMIS 400), une loi de gestion d’énergie embarquée ainsi que le
dimensionnement du stockage mixte. Ces trois éléments interagissent, sont indissociables et sont
indispensables à une étude du système.
Pour la mission journalière donnée nous avons constaté une diminution de la quantité
d'énergie consommée d'environ 20%, grâce à une meilleure récupération de l'énergie du freinage. La
loi de partage de l'énergie entre les supercondensateurs et la batterie apporte un autre avantage,
l'écrêtage du courant dans la batterie - avec des conséquences bénéfiques sur les pertes et la durée
de vie de la batterie. Le cyclage de la batterie au plomb mis au point au laboratoire confirme cette
dernière affirmation.
Le deuxième axe important a été la modélisation fine d’une batterie au plomb pour la
simulation. Cette modélisation est basée sur un modèle de Randles et des méthodes connues
d’identification des paramètres, telles que la spectroscopie d’impédance et la chronoampérométrie.
Le modèle tient compte de l’état de charge de la batterie et de la valeur du courant circulant dans la
batterie. Le modèle de la batterie ainsi obtenu tient compte des principales non-linéarités physico-
chimiques. La recharge n’a pas été occultée car elle est très importante dans la capacité du véhicule à
stocker et à réutiliser l’énergie issue du freinage récupératif.
Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse sont encourageants et ouvrent de
nombreuses perspectives.
Mots clés : Stockage mixte d'énergie électrique, modélisation/durée de vie batterie au plomb,
supercondensateurs, véhicule lourd, cycle réel ARTEMIS 400.

Abstract :
This thesis presents a hybrid energy storage made of lead-acid batteries and supercapacitors
for an urban waste collection electrical vehicle.
The simulation of the waste collection vehicle takes into account a real-world driving cycle
(daily cycle based on Artemis 400), a specific energy management and the sizing of the hybrid
storage.
Simulations show a 20% reduction of the consumed daily energy thanks to the brake
recovered energy. The battery current clipping allows the reduction of battery losses with
consequences on the battery lifetime. The battery cycling test bench developed in the laboratory
confirmed the increase of the battery lifespan.
Half of the time was dedicated of the lead-acid battery model. This model is based on
Randles equivalent circuit and takes into account the non linear relationship of the model
parameters and the battery state of charge and the current. The charge acceptance was also
modeled. The parameters identification is based on chronoamperometry and electrical impedance
spectroscopy.
Keywords: hybrid electrical energy storage, lead-acid battery model, battery lifetime,
supercapacitors, heavy duty vehicle, real-world driving cycle ARTEMIS 400