Intérêt d`une Source d`Energie Electrique - L2ep

N° d’ordre : 222
ECOLE CENTRALE DE LILLE
THESE
Présentée en vue
d’obtenir le grade de
DOCTEUR
En
Spécialité : Génie électrique
Par
Redha SADOUN
DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE
Titre de la thèse :
Intérêt d’une Source d’Energie Electrique Hybride pour véhicule
électrique urbain – dimensionnement et tests de cyclage
Soutenue le 03/06/2013 devant le jury d’examen :
Président
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Co-encadrant
Co-encadrant
Directeur de thèse
Christophe FORGEZ, Professeur, Université de Technologie de Compiègne
Jean-Michel VINASSA, Professeur, Université de Bordeaux
Bernard MULTON, Professeur, ENS Cachan
Mohamed BENBOUZID, Professeur, Université de Bretagne Occidentale
Serge PÉLISSIER, Chargé de Recherche, IFSTTAR
Philippe GYAN, Ingénieur R&D, Renault
Nassim RIZOUG, Enseignant chercheur, ESTACA
Patrick BARTHOLOMEUS, Enseignant chercheur, Ecole Centrale de Lille
Philippe LE MOIGNE, Professeur, Ecole Centrale de Lille
Thèse préparée dans les Laboratoires ESTACA-Mécatronique et L2EP
Ecole Doctorale SPI 072 (EC Lille)
PRES Université Lille Nord-de-France

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Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse sont le fruit d’une collaboration
entre l’Ecole des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile (ESTACA) et le
laboratoire L2EP de l’Ecole Centrale de Lille. Je tenais tout d’abord a souligné la chance qui
m’a été donnée pour pouvoir travailler sur une thématique très passionnante liée à
automobile. Je remercie l’ESTACA et L2EP d’avoir financé mon doctorat, de m’avoir donné
les moyens humains et techniques pour réaliser ce travail et de m’avoir accueilli.
Je tiens à dire un grand merci à mon directeur de thèse monsieur Philippe Le Moigne,
professeur à l’Ecole Centrale de Lille, et à monsieur Patrick Bartholumeus, maitre de
conférences à l’Ecole Centrale de Lille pour leurs conseils, corrections et aides précieuses qui
m’ont permet de progresser tout au long de ce travail.
A monsieur Nassim Rizoug, enseignant chercheur à l’ESTACA, je dis merci infiniment
pour sa disponibilité, son aide précieuse, ses connaissances scientifiques et ses qualités
humaines. Qu’il trouve dans ces quelques mots l’expression de ma profonde reconnaissance.
Monsieur Christophe Forgez, professeur de l’université de Technologie de Compiègne,
m’a fait l’honneur de présider mon jury de thèse. Qu’il trouve ici l’expression de ma
gratitude.
Monsieur Bernard Multon, professeur à l’ENS Cachan, et monsieur Jean-Michel
Vinassa, professeur de l’université de Bordeaux, ont accepté de juger mon travail et de
participer à mon jury de thèse en tant que rapporteurs. Je tiens ici à leur témoigner ma
reconnaissance.
J’adresse mes sincères remerciements à : monsieur Mohamed Benbouzid, Professeur à
l’université de Bretagne Occidentale, monsieur Serge Pélissier, chargé de Recherche à
l’IFSTTAR, et monsieur Philippe Gyan, ingénieur R&D chez Renault, pour l’honneur qu’il
m’ont fait en acceptant d’examiner mon travail de thèse.
J’adresse également mes sincères remerciements aux membres des équipes de
recherche de l’ESTACA-Laval leur accueil et les moments agréables passés avec eux. Merci à
Nacera, Mohcine, Stéphane, Mickael, Bertrand, Tedjani, pour nos discutions, les cafés et
autres moments sympas.
A toute ma famille
Et toutes les personnes que j’ai peut-être oubliées…
MERCI

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Table des matières
Chapitre I : Contexte, état de l’art et problématique
I.1. Contexte actuel de l’automobile ...................................................................................................................... 18
I.1.1. Quelle place pour l’automobile ? ............................................................................................................ 18
I.1.2. Problèmes énergétiques ........................................................................................................................... 19
I.1.3. Pollutions dues au transport routier ......................................................................................................... 19
I.1.3.1. Les Gaz à Effet de Serre (GES) ...................................................................................................... 20
I.1.3.2. Pollution locale ............................................................................................................................... 21
I.1.4. Aspects réglementaires et technologiques ............................................................................................... 22
I.1.4.1. Aspects règlementaires ............................................................................................................... 22
I.1.4.2. Les progrès technologiques ........................................................................................................ 23
I.2. Electrification de la chaine de traction ........................................................................................................... 24
I.2.1. Véhicule Electrique Hybride (VEH) ....................................................................................................... 24
I.2.1.1. Architectures des VEHs ............................................................................................................. 24
A. Hybride série ................................................................................................................................ 25
B. Hybride parallèle .......................................................................................................................... 25
C. Hybride série/parallèle................................................................................................................. 25
I.2.1.2. Catégories par niveau d’hybridation .......................................................................................... 25
A. Le Micro hybrid ............................................................................................................................ 26
B. Mild hybrid ................................................................................................................................... 26
C. Full hybrid .................................................................................................................................... 27
D. Le Plug-in hybrid........................................................................................................................... 27
I.2.2. Véhicule électrique (VE) ......................................................................................................................... 27
I.2.1.3. Réalisations actuelles ................................................................................................................. 28
I.2.1.4. Stockage d’énergie, point faible ? .............................................................................................. 28
I.3. Systèmes de stockage d’énergie électrique ..................................................................................................... 29
I.3.1. Batterie Li-ion ......................................................................................................................................... 29
I.3.1.1. Fonctionnement et technologies ............................................................................................... 29
A.  ................................................................................................................................. 30
B.  ..................................................................................................................... 31
C.  ...................................................................................................................... 31
I.3.1.2. Grandeurs caractéristiques des batteries .................................................................................. 32
A. La capacité.................................................................................................................................... 32
B. Régimes de courants de charge/décharge ................................................................................... 33
I.3.1.3. Surveillance de la batterie .......................................................................................................... 33
A. État de charge (State Of Charge-SOC) .......................................................................................... 33
B. État de santé (State Of Health-SOH) ............................................................................................ 34
I.3.1.4. Vieillissement des batteries Li-ion ............................................................................................. 35
A. La durée de vie calendaire ........................................................................................................... 35
A. La durée de vie en cyclage ........................................................................................................... 35
I.3.2. Le supercondensateur .............................................................................................................................. 36
I.3.2.1. Fonctionnement ......................................................................................................................... 36
I.3.2.2. Caractéristiques ......................................................................................................................... 37
I.4. Hybridation des sources d’énergie .................................................................................................................. 37
I.4.1. Association batterie Li-ion/ supercondensateur....................................................................................... 38
I.4.1.1. Architecture en cascade avec un convertisseur DC/DC ............................................................. 38
I.4.1.2. Architecture en cascade avec deux convertisseurs DC/DC ........................................................ 38
I.4.1.3. Architecture parallèle avec deux convertisseurs DC/DC ............................................................ 39
I.4.2. Stratégies de gestion de l’énergie ............................................................................................................ 39
I.4.2.1. Stratégies de gestion à base de règles ....................................................................................... 40
I.4.2.2.  ................................................................................................ 41
I.5. Conclusion ......................................................................................................................................................... 41
Chapitre II : dimensionnement des sources d’énergie hybrides
II.1. Cahier des charges ............................................................................................................................................ 44
II.1.1 Cycles de conduite .................................................................................................................................. 44
II.2.1.1. Cycle NEDC ................................................................................................................................. 44

5
II.2.1.2. Cycle ARTEMIS ............................................................................................................................ 45
II.1.2 Caractéristiques et consommations du VE .............................................................................................. 45
II.2.1 Dynamique du VE ................................................................................................................................... 46
II.1.3 Influence de la masse de la SSE sur la consommation du VE ................................................................. 47
II.1.4 Architecture de la SEH ............................................................................................................................ 48
II.1.5 Caractéristiques des batteries et des supercondensateurs étudiés ............................................................ 49
II.1.5.1 Les batteries Li-ion ..................................................................................................................... 49
II.1.5.2 Supercondensateur .................................................................................................................... 51
II.2. Dimensionnement de la source d’énergie du VE ........................................................................................... 52
II.2.1 Approche générale de dimensionnement des batteries ............................................................................ 52
II.2.2 Alimentation du VE par les batteries seules ............................................................................................ 54
II.2.2.1 Algorithme de dimensionnement du pack de batteries ............................................................ 54
II.2.2.2 Analyse des résultats du dimensionnement : ............................................................................ 55
II.2.3 Alimentation du VE par une Source d’Energie Hybride (SEH) .............................................................. 58
II.2.3.1  « avec limitation de puissance » ............................................................... 58
a. Principe ........................................................................................................................................ 58
b. Algorithme de contrôle des puissances ....................................................................................... 60
II.2.3.2 Démarche de dimensionnement du pack de supercondensateurs ........................................... 62
II.2.3.3 Démarche de dimensionnement du convertisseur DC/DC ........................................................ 63
a.  ................................................................................................................................. 63
b. Le dissipateur thermique ............................................................................................................. 64
II.2.3.4 Algorithme de dimensionnement de la SEH .............................................................................. 66
II.2.3.5 Résultats de dimensionnement de la SEH .................................................................................. 67
II.2.3.6 Analyse des contraintes physiques des cellules de batteries ..................................................... 69
a. Les contraintes physiques ............................................................................................................ 69
b. Analyse et comparaison ............................................................................................................... 70
II.2.4 Comparaison SEH vs Batteries seules ..................................................................................................... 71
II.3. Etude de l’influence de certains paramètres sur le dimensionnement de la SEH ....................................... 73
II.3.1 Influence du cycle de conduite ................................................................................................................ 73
II.3.2 Combinaison des batteries Li-ion avec des batteries « Ultra Haute Puissance » ..................................... 74
II.3.3 Influence de la tension du bus continu .................................................................................................... 76
II.3.4 Influence de la stratégie de gestion d’énergie ......................................................................................... 78
II.3.4.1 Principe de la gestion énergétique fréquentielle ....................................................................... 78
II.3.4.2 Comparaison des résultats de dimensionnement : stratégie de Filtrage vs Limitation de
puissance ................................................................................................................................................... 80
II.3.5 Récapitulatif des comparaisons ............................................................................................................... 82
II.4. Conclusion ......................................................................................................................................................... 82
Chapitre III: Etude expérimentale du vieillissement des batteries Li-ion
III.1. Introduction ............................................................................................................................................. 85
III.2. Les cellules de batteries Li-ion testées .................................................................................................... 85
III.3. Banc de tests ............................................................................................................................................. 87
III.3.1. Acquisition des données .......................................................................................................................... 89
III.3.2. pilotage et surveillance du banc de test ................................................................................................... 89
III.4. Modélisation des batteries Li-ion ........................................................................................................... 90
III.4.1. Modèle de base ........................................................................................................................................ 90
III.4.2. Modèle de Thévenin ................................................................................................................................ 90
III.4.3. Modèle à impédance de Warburg ............................................................................................................ 91
III.4.4. Modèle générique pour la simulation dynamique ................................................................................... 91
III.5. Protocole de test de vieillissement en cyclage des batteries Li-ion ...................................................... 94
III.5.1. Norme de la Commission Internationale d’Electrotechnique (CEI) ........................................................ 94
III.5.2. Profils de cyclage accéléré basé sur le cycle d’usage réel du VE ............................................................ 96
III.5.2.1. Grandeurs caractéristiques ........................................................................................................ 96
III.5.2.2. Création des profils de cyclage................................................................................................... 97
III.5.3. Profil de recharge des batteries.............................................................................................................. 100
III.5.4. Cycle de caractérisation......................................................................................................................... 101
III.5.4.1. Mesure de la capacité .............................................................................................................. 101
III.5.4.2. Mesures de la résistance interne ............................................................................................. 102
III.5.5. Récapitulatif du protocole de test .......................................................................................................... 103
III.6. Quantification du vieillissement des cellules de batteries Li-ion testées ........................................... 104
III.6.1. Spécifications fournies par le fabricant ................................................................................................. 104