Amélioration de la durée de vie des systèmes de stockage d’énergie électrique par optimisation des convertisseurs d’énergie modulaires associés

Improvement of the lifetime of electric energy storage systems by optimizing the connected modular power converters

• Auteur / Autrice : Robert Alfie Peña
• Direction : Pascal Venet, Alaa Hijazi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Venet, Alaa Hijazi, Christophe Forgez, Alain Bouscayrol, Corinne Alonso, Ali Sari, Seïma Shili
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Forgez, Alain Bouscayrol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs continu-continu

Entretien et réparations

Supercondensateurs

Électrotechnique

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Circuit d'équilibrage

Strategie d'équilibrage

Charge des supercondensateurs

Convertisseur d'énergie continu-continu

Côntrole de puissance

Supercondensateurs

État de santé (SoH)

État de charge (SoC)

Balancing circuit

Balancing strategy

Charging supercapacitors

DC-DC power converter

Power control

Supercapacitors

State of health (SoH)

State of charge (SoC)

Résumé

L’hétérogénéité des caractéristiques « constructeur » des dispositifs de stockage d’énergie tels que les supercondensateurs et leurs conditions environnementales affectent leurs performances et entraînent un vieillissement déséquilibré. Les circuits d’équilibrage conventionnels reposent sur l’équilibrage des tensions ou des états de charge (SoC) des cellules. Dans ce travail, nous proposons plutôt d’équilibrer les états de santé (SoH) des cellules pour optimiser la durée de vie du système de stockage d’énergie électrique. Des convertisseurs statiques d’énergie modulaires sont utilisés pour interfacer les supercondensateurs avec le système de charge/décharge et sont commandés de façon à ce que les vieillissements des supercondensateurs soient homogènes. Cela est rendu possible par une méthode d’allocation de commande qui utilise une matrice de pondération basée sur la durée de vie utile restante des supercondensateurs comme indicateur d’état de santé. Pour deux applications, nous avons simulé des équipements complets par utilisation de modèles électrothermiques de supercondensateurs et de modèles des convertisseurs modulaires contrôlés par un module d’allocation de commande. Les simulations ont été validées par des essais expérimentaux. Il est montré que l’utilisation de convertisseurs modulaires associés à une méthode d’allocation de commande optimisant l’état de santé des supercondensateurs prolonge grandement leur durée de vie par rapport à l’utilisation d’un simple convertisseur d’énergie avec circuit d’équilibrage classique.

Initial conditions and characteristics affect the operational performance of energy storage devices such as supercapacitors resulting in unbalanced aging. Conventional systems rely on balancing voltages or states of charge (SoC). In this work however, states of health (SoH) are used instead. Modular power converters are employed to interface supercapacitors and are controlled to age them at the same rate. It was made possible by a control allocation method that uses a weighting matrix based on the remaining useful life of supercapacitors as a health or reliability indicator. We modelled and simulated complete systems for two applications composed of the multiphysical model of supercapacitors, the power converters, the control systems, and the control allocation module. Simulation and experimental comparisons with the classical balancing approach show that the modular converter approach optimizes system lifetime and significantly extends it.