Critères d’évaluation des architectures électriques

Modèle Beaucoup de modèles de batteries ont été développés (Chan et Sutanto, 2000) (Dekkiche, 2008).

Leur degré de complexité varie en fonction de l’objectif de la simulation. Les modèles complets sont ceux qui intègrent les phénomènes électrochimiques, mais ils sont trop lents dans le cadre d’une simulation de circuit électronique et l’identification des paramètres est difficile à réaliser. À l’opposé, le modèle composé d’une source de tension et d’une résistance fixes ne reproduit pas l’ensemble des comportements des batteries. Il faut donc prendre le modèle le plus simple et suffisamment fidèle pour répondre aux objectifs de cette recherche. Le modèle de batterie générique (Tremblay, Dessaint et Dekkiche, 2007), le même qui est utilisé dans le logiciel « Matlab Simulink SimPowerSystems » (MathWorks, 2011b), semblait être intéressant pour sa facilité d’utilisation et d’identification des paramètres. Par contre, il ne tient pas compte de l’effet de Peukert, c’est-à-dire de la variation de la capacité, ou de la charge totale, de la batterie en fonction de l’amplitude du courant.

Cet effet est important à considérer, car un des buts des super-condensateurs est de supprimer les grandes demandes de courant des batteries. Donc, il faut pouvoir observer l’amélioration de la capacité de la batterie si ses courants sont diminués. Pour sa part, le modèle dynamique des batteries Li-Ion (Gao, Liu et Dougal, 2002) tient compte de l’effet de Peukert et de la température en plus d’avoir une meilleure réponse transitoire que le modèle de batterie générique. Malgré le fait que la batterie s’échauffe durant le fonctionnement et que cela modifie légèrement ses caractéristiques, cette recherche exclut l’effet de la température. Donc, son effet a été retiré du modèle en modifiant légèrement les équations. Son circuit équivalent est présenté à la Figure 1.3. Il s’agit d’une source de tension variable, qui dépend de l’état de charge et de l’amplitude du courant de batterie, de deux résistances et d’un condensateur. L’identification des paramètres peut se faire avec les spécifications techniques du manufacturier et d’un test d’impulsion de courant.

Facteurs influençant la durée de vie

La durée de vie des batteries Li-Ion est de l’ordre de 1000 cycles de charge et décharge. Par contre, les hautes températures, les forts courants et les décharges profondes peuvent détériorer prématurément les batteries (Roscher, Assfalg et Bohlen, 2011) (USDOE, 2011). L’effet de la détérioration se manifeste par une augmentation des résistances internes et par une diminution de la capacité, ou de la charge totale, de la batterie. On considère une batterie défectueuse si sa capacité diminue sous 80% de la valeur initiale. Dans la littérature, la plupart des tests de durée de vie des batteries se font à courant constant pour des cycles de charge et décharge complètes. C’est pourquoi il est pratiquement impossible de calculer la durée de vie d’une batterie de véhicule électrique. Le courant varie sur une très large plage, avec des phases de régénération d’énergie. De plus, il est non souhaité que la batterie soit entièrement déchargée.

En effet, un groupe de chercheurs ont montré que, dans une voiture électrique, la profondeur de décharge optimale est de 60 à 80% (SOCmin = 20 à 40%) pour une amélioration de la durée de vie et une bonne utilisation des batteries (Leuchter, Bauer et Steklý, 2010). Aussi, les caractéristiques de la batterie peuvent avoir une influence sur la durée de vie. En effet, les batteries avec de meilleures densités de puissance ont généralement une durée de vie plus faible (Lukic et al., 2008). Pour produire de plus grands courants, la surface des électrodes de la batterie doit être augmentée. Par contre, cela accélère son taux de corrosion et a pour effet de diminuer sa durée de vie.

Modèle

Les condensateurs à double couche, ou super-condensateurs (SC), ont été développés bien après les batteries. C’est pourquoi on retrouve moins de modèles dans la littérature, autre que le modèle simpliste d’une résistance et d’un condensateur en série. Néanmoins, plusieurs chercheurs ont proposé différentes modélisations utilisant, entre autres, les lignes de transmission RC (Belhachemi, 2001) et la technique de spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) (Dougal, Gao et Liu, 2004) (Buller et al., 2002). La modélisation choisie est inspirée d’un article traitant spécifiquement des applications en électronique de puissance avec les mêmes conditions d’utilisation que celles de cette recherche (Zubieta et Bonert, 2000). En effet, le modèle est fait pour être utilisé avec des simulations d’une durée d’environ 30 minutes et sa précision ne diminue que lorsque la tension du super-condensateur devient inférieure à 45% de sa valeur nominale. Or, comme il sera mentionné dans la section 1.1.3.4., sa tension doit être maintenue au-dessus de 50% de sa valeur nominale. Le circuit équivalent du super-condensateur est illustré à la Figure 1.6.

Premièrement, le circuit est constitué de trois branches RC. Elles modélisent la distribution à différentes vitesses des charges à l’intérieur du super-condensateur. Ce comportement rend impossible la charge ou la décharge complète du super-condensateur d’une manière rapide. En effet, il faut laisser le temps aux charges de migrer vers les branches lentes. La première branche, ou la branche immédiate (Ri, Ci0, Ci1), représente la branche la plus rapide avec un temps de réponse de l’ordre des secondes. La deuxième branche, ou la branche retardée (Rd, Cd), et la troisième branche, ou la branche à long terme (Rl, Cl), ont un temps de réponse de l’ordre des minutes et des dizaines de minutes, respectivement. Le choix de l’utilisation de trois branches vient du besoin d’exécuter une simulation de 30 minutes. Deuxièmement, la branche immédiate contient une capacité variable, composée d’une capacité fixe (Ci0) et d’une autre dépendante de la tension (Ci1). Cela modélise la relation non-linéaire entre la capacité et la tension.

La conséquence de cette relation est que le supercondensateur stocke plus d’énergie à une tension plus élevée. Finalement, le phénomène d’autodécharge est représenté par une résistance de fuite (Rleak). Il est à noter que l’autodécharge du super-condensateur est plus importante que celle de la batterie. C’est pourquoi le modèle de la batterie n’en tient pas compte. L’identification des paramètres se fait en chargeant le super-condensateur à courant constant, d’une tension nulle à la tension nominale, puis en observant l’évolution de sa tension durant 30 minutes. Toutes les équations pour calculer les paramètres avec les résultats de la charge sont fournies et expliquées dans l’article de référence. Les valeurs d’identification pour les super-condensateurs de 470F et 1500F sont aussi présentées. Elles pourront être utilisées jusqu’à temps que le super-condensateur de l’implémentation physique soit choisi, puis caractérisé.

Modélisation d’un convertisseur

Un convertisseur DC/DC est composé d’au moins un interrupteur qui commute à une fréquence élevée, de l’ordre de 1 à 100kHz en général. Ce comportement, très rapide comparé aux paramètres du véhicule et des sources d’énergie, provoque un problème pour la simulation. En effet, si on souhaite modéliser fidèlement le système pour observer toutes les réponses transitoires, l’évolution de la simulation sera très lente à cause du grand nombre de calculs nécessaires à chaque seconde. Étant donné que le système complet doit être simulé sur une durée d’environ 30 minutes, il est évident que le temps de calcul de la simulation sera trop long. Pour régler ce problème, la modélisation du convertisseur doit se faire en deux étapes. Premièrement, le modèle du convertisseur doit être simplifié pour permettre la simulation du système de stockage complet avec le véhicule électrique. À cette étape, on peut tester les différentes architectures électriques et stratégies de contrôle du système. De plus, on doit noter les amplitudes de tension et de courant soumis au convertisseur. Ces valeurs serviront de référence pour la simulation suivante. Deuxièmement, le convertisseur doit être modélisé le plus fidèlement possible. La simulation du convertisseur seul doit se faire avec les paramètres de référence de la simulation simplifiée et sur une durée de l’ordre des millisecondes. Cette deuxième simulation permet de tester la commande de régulation de courant et de calculer les courants et les tensions soumis à aux composants du convertisseur pour réaliser leur dimensionnement.

Référence variable en fonction de la vitesse du véhicule

La vitesse du véhicule est un indicateur de la demande de puissance à venir. En effet, si la vitesse du véhicule est faible, le système doit s’attendre à devoir alimenter une accélération et si elle est élevée, on doit s’attendre à récupérer l’énergie d’un freinage. Étant donné la connaissance de la future demande de puissance, l’énergie utilisable des super-condensateurs peut être régulée en conséquence. Ils sont chargés si une accélération est imminente et déchargés à l’approche d’un freinage. Cette technique évite un surdimensionnement en capacité des super-condensateurs, car son énergie emmagasinée est utilisée très efficacement. De plus, ce contrôle demande un effort minimal de la part des batteries. Prenons le cas où le véhicule vient de s’arrêter et que l’énergie du freinage a chargé complètement les supercondensateurs. La référence d’énergie utilisable de ces derniers est au maximum, car la vitesse du véhicule est nulle. Donc, ils restent chargés de l’énergie du freinage et non de l’énergie provenant des batteries. À l’accélération suivante, toute l’énergie des supercondensateurs sera utilisée et ces derniers seront prêts au prochain freinage, car leur énergie disponible est faible. On voit bien que la majorité de l’énergie transitoire ne passe pas par les batteries. Cette diminution du transfert d’énergie des batteries va permettre d’allonger leur durée de vie. Une équipe de chercheurs a combiné les paramètres de l’état de charge des batteries et de la vitesse du véhicule pour contrôler l’énergie utilisable des super-condensateurs (Dixon, Ortúzar et Wiechmann, 2000).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Modélisation
1.1.1 Modélisation d’une voiture électrique
1.1.2 Modélisation d’une batterie
1.1.2.1 Modèle
1.1.2.2 Calcul de l’état de charge
1.1.2.3 Facteurs influençant la durée de vie
1.1.3 Modélisation d’un super-condensateur
1.1.3.1 Modèle
1.1.3.2 Calcul de l’énergie disponible
1.1.3.3 Facteurs influençant la durée de vie
1.1.3.4 Fonctionnement optimal des super-condensateurs
1.1.4 Modélisation d’un convertisseur
1.1.4.1 Modélisation simplifiée du convertisseur
1.1.4.2 Modélisation complète du convertisseur
1.2 Architectures électriques
1.2.1 Critères d’évaluation des architectures électriques
1.2.2 Analyse préliminaire
1.2.2.1 Bloc de batteries connecté seul à un convertisseur
1.2.2.2 Bloc de super-condensateurs connecté seul à un convertisseur .
1.2.3 Liste des architectures électriques possibles
1.2.3.1 Architectures à sources d’énergie en parallèle
1.2.3.2 Architectures semi-actives
1.2.3.3 Architectures actives
1.2.3.4 Architecture à éléments isolés
1.2.4 Choix des meilleures architectures électriques
1.3 Stratégies de contrôle
1.3.1 Contrôle de la répartition des puissances
1.3.1.1 Contrôle tout ou rien
1.3.1.2 Contrôle par bande
1.3.1.3 Contrôle par pente
1.3.1.4 Contrôle par filtrage
1.3.1.5 Contrôle par logique floue
1.3.2 Contrôle de l’énergie des super-condensateurs
1.3.2.1 Référence fixe
1.3.2.2 Référence variable en fonction de l’état de charge des batteries
1.3.2.3 Référence variable en fonction de la vitesse du véhicule
1.3.3 Choix des meilleures stratégies de contrôle
1.4 Topologies de convertisseur
1.4.1 Liste des topologies de convertisseur possibles
1.4.1.1 Topologie à demi-pont ou convertisseur bidirectionnel « buck-boost »
1.4.1.2 Convertisseur en cascade demi-contrôlé
1.4.2 Adaptation du convertisseur aux grandes puissances
1.4.2.1 Technique d’entrelacement des convertisseurs
1.4.2.2 Technique d’extinction des branches
1.4.2.3 Choix du mode de conduction
1.4.2.4 Technique de commutation douce
1.4.3 Choix de la topologie de convertisseur
1.5 Système de gestion des sources d’énergie
1.5.1 Protection des sources
1.5.2 Surveillance des sources
1.5.3 Égalisation des charges
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 CONCEPTION DE LA COMPOSITION ET DU CONTRÔLE DU SYSTÈME DE STOCKAGE
2.1 Données de référence
2.1.1 Caractéristiques de la voiture
2.1.2 Caractéristiques des batteries
2.1.3 Caractéristiques des super-condensateurs
2.2 Dimensionnement des blocs de batteries et de super-condensateurs
2.2.1 Procédure de dimensionnement du bloc des batteries
2.2.2 Procédure de dimensionnement du bloc des super-condensateurs
2.3 Contrôle du système de stockage
2.3.1 Protection des sources d’énergie
2.3.2 Implantation de la stratégie de contrôle
2.3.3 Optimisation de la stratégie de contrôle
2.3.4 Simulation et analyse des stratégies de contrôle
2.4 Architectures électriques
2.4.1 Simulation et comparaison des architectures électriques
2.4.2 Comparaison des architectures hybrides
2.4.3 Comparaison des systèmes hybride et non-hybride
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 CONCEPTION DU CONVERTISSEUR
3.1 Spécifications du convertisseur
3.2 Calculs de dimensionnement
3.2.1 Inductance
3.2.2 Condensateur
3.2.3 Interrupteur
3.2.4 Diode
3.2.5 Combinaison de l’interrupteur et de la diode
3.2.6 Résultats des calculs de dimensionnement
3.3 Calculs des courants en mode de conduction discontinue
3.3.1 Inductance
3.3.2 Interrupteur S1
3.3.3 Interrupteur S2
3.3.4 Condensateur
3.4 Calcul des pertes
3.4.1 Inductance
3.4.2 Condensateur
3.4.3 Interrupteur
3.4.4 Diode
3.5 Choix des composants
3.5.1 Inductance
3.5.2 Condensateur
3.5.3 Interrupteurs
3.5.4 Radiateur
3.5.5 Circuits de contrôle
3.6 Comparaison des convertisseurs à différents nombres de branches
3.6.1 Analyse des pertes
3.6.2 Comparaison globale
3.7 Réalisation de la commande
3.7.1 Répartition du courant entre les branches
3.7.2 Régulation du courant d’une branche
3.7.3 Décalage du courant de chaque branche
3.8 Simulation du convertisseur
3.8.1 Échelon de courant maximal
3.8.2 Transition du nombre de branches fonctionnelles
3.8.3 Transition du mode de conduction
3.8.4 Transition du mode de fonctionnement
3.9 Conclusion
CHAPITRE 4 EXPÉRIMENTATION
4.1 Dimensionnement des sources expérimentales
4.1.1 Caractéristiques du système de stockage
4.1.2 Caractéristiques des sources
4.1.3 Dimensionnement des blocs de batteries et de super-condensateurs
4.2 Validation des modèles de sources
4.2.1 Comparaison des batteries simulées et réelles
4.2.2 Comparaison des super-condensateurs simulés et réels
4.3 Fabrication du convertisseur
4.4 Validation du fonctionnement du convertisseur seul
4.4.1 Efficacité du convertisseur
4.4.2 Commande du convertisseur
4.4.2.1 Échelon de courant
4.4.2.2 Transition du nombre de branches fonctionnelles
4.4.2.3 Transition de mode de conduction
4.4.2.4 Transition de mode de fonctionnement
4.5 Validation du fonctionnement du système de stockage hybride
4.5.1 Protection des sources
4.5.2 Répartition des puissances
4.5.3 Régulation de l’énergie des super-condensateurs
4.6 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I DÉMONSTRATION DE LA RELATION ENTRE LES MODES « BOOST » ET « BUCK » DU CONVERTISSEUR EN CONDUCTION DISCONTINUE
ANNEXE II DÉMONSTRATION DE LA RELATION ENTRE LE RAPPORT CYCLIQUE ET LE COURANT DU CÔTÉ HAUTE TENSION DU CONVERTISSEUR EN CONDUCTION CONTINUE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES