Stockage d’énergie électrique par association de supercondensateurs et de batteries au plomb pour véhicule lourd

Hybrid electrical energy storage based on supercapacitors and lead-acid batteries for a heavy-duty vehicle

• Auteur / Autrice : Stéphane Butterbach
• Direction : Christophe Forgez, Gérard Coquery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies de l'Information et des Systèmes
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules de collecte des déchets

Camions

Durée de vie (ingénierie)

Modèles mathématiques

Électricité

Mots clés libres

Stockage mixte d'énergie électrique

Batteries au plomb

Supercondensateurs

Poids lourds

Modélisation

Bennes à ordures ménagères

Cycle réel ARTEMIS 400

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.

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. An important part of the document 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.