Laboratoire d’Electrotechn ique et d’Electronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan , Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 2003 16 et 17 oct. 2003 GDR ME2MS Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage R. SAISSET, C. TURPIN, S. ASTIER
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Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle Groupe SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan, Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 2003.
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Laboratoire
d’Electrotechnique
et d’Electronique
Industrielle
Groupe
SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan,
Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS
Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage
R. SAISSET, C. TURPIN, S. ASTIER
Laboratoire
d’Electrotechnique
et d’Electronique
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
I- Fonction stockage dans les systèmes de conversion d’énergie
Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Etude d’un groupe électrogène à pile à combustible
PAC OnduleurSurvolteur
HacheurHG
Une étude générique pour de nombreux systèmes Evaluation des architectures en fonction des missions
avec différents types stockages et d.d.l.
Utilisation
HacheurHS
Eléments destockage
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Point instable
Courant
Tension
Puissance
Vpac
Ipac
Pcharge
Hacheur BOOSTDC/DC
Charge
+
-
Fonctionnement de la pile à combustible
« au fil de la consommation »
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Dispositif de stockage idéal à tension réglable indépendante de Wsto
Courant
Tension
Vpac
Ipac
Elément destockage
Charge
+
-
DC/DC
Bus continu contrôlé en tension
ChargePile à combustible
Source de courant
Fonctionnement de la pile à combustible à tension imposée
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Courant
Tension
Vpac
Ipac
Elément destockage
Charge
+
-
DC/DC
Bus contrôlé en courant
Charge
Pile à combustible
Source de tension
Fonctionnement de la pile à combustible à courant imposé
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
PAC
Elémentsde
stockage
OnduleurSurvolteur
Structure d’un groupe électrogène à stockage direct
L’élément de stockage est :
• soit un accumulateur
• soit un supercondensateur
Couplage direct PAC-Stockage
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d’Electrotechnique
et d’Electronique
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Courant [A]
Tension [V]
V1
V2
I1 I2
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7
Temps [s]
Pu
issa
nce
[W
] E
ner
gie
[J]
Puissance moyenne de la pile à combustibleEnergie du supercondensateur
On observe une limitation naturelle de la charge de l’élément de stockage
L’élément de stockage permet de répondre à un fort appel de courant et impose le point de fonctionnement de la pile à combustible
Couplage direct PAC-Stockage
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Avantages :
• Pas convertisseur intermédiaire • Pas de gestion de l’énergie par la commande • L’élément de stockage fournit les pics de puissance en sortie
Inconvénients :
• La tension du bus continu dépend du courant, donc de la puissance de sortie.• Pas de gestion de l’énergie par la commande. La gestion se fait lors du dimensionnement des composants. Le groupe électrogène est difficilement polyvalent.• Risque de destruction de la PAC si l’élément de stockage se décharge trop• Problème au démarrage des supercondensateurs, pas de précharge à courant limité.
Couplage direct PAC-Stockage
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
PACOnduleurSurvolteur
HacheurSurvolteur
Eléments destockage
Stockage associé à un hacheur piloté en courant de sortie (bus)
Le hacheur pilote directement le régime de charge ou de décharge du stockage de façon que la pile fournisse la puissance moyenne
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
PAC
Hacheur dévolteurrégulé en courant
Supercondensateur
Onduleur Survolteur +Charge
IonduleurIpac
Iondul ation
Mesurede Ionduleur
Filtrage passe haut
Mesure du courantdans le hacheur
Correcteur PI ComparateurConsigne
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12
Temps [s]
Co
ura
nt
[A]
Courant onduleur
Courant filtre actif
Courant pile
Impact de charge
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Avantages:
• Tension de bus fixée par la pile quel que soit l’état de charge du stockage mais dépend de son point de fonctionnement.•On peut recharger l‘élément de stockage grâce à la pile à combustible ou par un retour d’énergie de la source.•On maîtrise les échanges d’énergie en réalisant une régulation en courant
Inconvénients:
• Hacheur dimensionné pour toute la puissance de l’élément de stockage.• Si la tension de pile est trop faible : fort coefficient de survoltage de l’onduleur BOOST.• L’onduleur survolteur qui fixe le courant de la pile : danger, il faut un filtrage du courant très performant, car l’onduleur monophasé demande une puissance fluctuante (composante du courant à 100Hz) très important.
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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PAC OnduleurSurvolteur
HacheurSurvolteur
Eléments destockage
Fonctionnement de la pile à tension imposéeStockage associé à un hacheur piloté en tension de sortie (bus)
La pile fournit la puissance moyenne demandée par la charge grâce à une régulation cascade de puissance assurant :
<P_entrée> = <P_sortie>
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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1LrefI
meseV
LV +-
mesLI
-+ PI
cV
1
LrefI
mesoI
crefVpacP cI
mescV sortieP
PI-
+-
+ PI+
+Ve
Vc
moyenV
++
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Régulation en puissance avec apparition des pertes à 3.2s
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Temps [s]
Pu
issa
nce
[W
]
0
20
40
60
80
100
120
En
erg
ie [
J]
Puissance pile
Puissance sortie
Energie supercapacité
Avec cette simple gestion, l’élément de stockage se décharge en raison des pertes internes au stockage qu’il faut compenser.
Prise en compte des pertes
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pacP
SupercapaV
PI
2
21
SupercapaCV
refE -+
crefV
sortieP
PI-
+
Régulation d'énergie de la supercapacité
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Temps [s]
Pu
iss
an
ce
[W
]
0
20
40
60
80
100
120
En
erg
ie s
up
erc
ap
ac
ité
[J
]
Puissance pile
Puissance sortie
Energie supercapacité
On compense les pertes afin de contrôler la charge de l’élément de stockage.
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Avantages :
• La tension de bus est quasiment fixe grâce au hacheur.• Bonne gestion de l’énergie de stockage. On arrive à utiliser 92% de l’énergie• Pour l’onduleur la tension de bus est fixe pour une puissance donnée.
Inconvénients :
• Supercapacités : il faut les précharger en utilisant le hacheur en dévolteur contrôlé en courant. • Ce problème ne se pose pas pour les accumulateurs.• Pas de contrôle du courant dans la pile, pas de protection en cas de décharge trop profonde des éléments de stockage.• Les pertes dans l’onduleur dues à un fort coefficient de survoltage peuvent être importantes, si l’on veut une tension de sortie de 127V• La gestion de l’énergie est un peu complexe.
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-2
-1
0
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2
3
4
5
-0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015
temps en s
Co
ura
nt
en
A
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Te
ns
ion
[V
]
courant pile
courant batterie
courant charge
tension
Essais avec batterie au plombfonctionnement contrôlé à tension
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-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0,002 0,00205 0,0021 0,00215 0,0022 0,00225
temps en s
Co
ura
nt
en
A
0
2
4
6
8
10
12
14
Te
ns
ion
[V
]
Courant pile
Courant accumulateur
Couarnt charge
Tension
Essais avec batterie au plombfonctionnement contrôlé à tension
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« Filtrage actif » et gestion d’énergieEx : Hybridation de composants de stockage
accumulateur + supercondensateur
Accumulateur
Supercondensateur
Lissage de la puissance vue par la batterie d’accumulateurs
Filtrage actif
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« Filtrage actif » et gestion d’énergie
Roue
Transmission
Moteur
Onduleur
Batteries
Bus continu
Commande
Pilote
==
Supercondensateurs
Variable de commande
Formulation « filtrage » résout gestion temps réel du stockage court
Amélioration :- contraintes sur batterie - autonomie du système
Avec supercondensateur
Sans supercondensateur
C(A.h)
t(s)50 min
MissionsINRETS
Analyse fréquentielle des missions
Fréquence de coupure dimensionnement, gestion d’énergieUn indicateur pertinent extrait de la mission
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Conclusion
• La pile autorise plusieurs modes de fonctionnement dans des architectures variées à comparer suivant les besoins.
• Le fonctionnement à tension imposée par un stockage piloté apparaît prometteur.
• La formulation en termes de filtrage actif résout la gestion (reconditionnement) du stockage (rapide).
• Des validations expérimentales sont en cours.
• La modélisation basée sur la représentation des conversions d’énergie (BG) permet des études comparatives système efficace
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MPPTTransmission
Moteur
Onduleur
Accumulateur
Bus continu
CommandeHacheur
Panneau solaire
Modèle global d’un véhicule électrique solaire
STO LI-ION
GMPmPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
0
0
0
electrique
temperature
VI
1
MSemesures
0
0
0
MSe
mesures
electrique
temperature
VI
1
GPV
Solelhada
Noeud
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Véhicule au départ
Deux stratégies de course :
•Au fil du soleil
•A vitesse constante puis recharge des batteries face au soleil
Stratégie de course
Exploitationdu modèle global
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