Les batteries électromécaniques

BATTERIE ÉLECTROMÉCANIQUE 

Le principe de l’accumulation de l’énergie sous forme cinétique est simple et utilisé depuis longtemps, en particulier pour la régulation de la vitesse de rotation des transmissions de puissance. Elle utilise essentiellement des corps en rotation. L’énergie est accumulée ou restituée en modifiant la vitesse de rotation ω d’un rotor, souvent appelé volant d’inertie. Si Ec est l’énergie cinétique du volant, I son inertie par rapport à l’axe de rotation et P la puissance transférée .

Les différents systèmes se distinguent dans la manière dont l’énergie est transmise à la batterie, en entrée comme en sortie. Considérons un véhicule comprenant un moteur thermique et un volant d’inertie pour récupérer l’énergie de freinage et la restituer par la suite. La batterie est constituée de ce volant et des composants de commande nécessaires, un variateur de vitesse continu et un embrayage, par exemple, Figure 1-1. Les puissances d’entré et de sortie du dispositif sont mécaniques, c’est à dire, le produit d’un couple par une vitesse de rotation. Dans d’autres cas, Figure 1-2, un moteur-générateur électrique fait partie intégrante du dispositif. L’énergie d’entrée de la batterie est électrique, continue ou alternative, adaptée par une électronique de puissance et de commande, puis convertie par le moteur-générateur en une puissance mécanique. C’est ce système que nous nommons batterie électromécanique, et qui fait l’objet de la présente étude. Sa fonction est en tout point comparable à celle des batteries électrochimiques usuelles. Notons qu’il existe des solutions hybrides, à entrée mécanique et sortie électrique, par exemple.

Dans l’accumulation de l’énergie, nous distinguons la fonction de stockage proprement dite de celle de transfert d’énergie. La première, caractérisée en énergie, se réfère essentiellement au rotor, en particulier au volant. La seconde, caractérisée en puissance, se réfère au convertisseur électromécanique (moteur-générateur) et à son électronique de commande et de puissance.

LES COMPOSANTS 

Les principaux composants d’une batterie électromécanique sont schématisés Figure 1-3. Ce sont :
– le volant : élément principal de l’accumulation. Il existe différentes géométries typiques, cylindrique creuse, cylindrique pleine ou de forme “exponentielle”. Il peut être réalisé en matériau métallique, composite à fibres longues ou par assemblage des deux,
– le convertisseur : généralement un moteur-générateur réversible. Il peut être intégré avec le volant ou relié à celui-ci par un axe et un système d’accouplement,
– le rotor : ensemble des parties tournantes,
– les paliers : ils maintiennent le rotor par rapport à l’enceinte et sont constitués de butées et paliers à éléments roulants, ou d’équivalents magnétiques sans contact. Il existe des solutions combinant des butées magnétiques et des éléments roulants,
– l’enceinte de confinement : elle participe au maintien du rotor et au maintien d’une atmosphère contrôlée autour du volant, en particulier d’une faible pression.

À ces éléments viennent s’ajouter :
– l’électronique de puissance et de commande, interface entre le moteur-générateur et l’extérieur de la batterie. Elle assure l’adaptation réversible de la puissance électrique,
– les éléments de sécurité passifs : paliers de secours et enceinte de sécurité. Ils ont pour fonction le maintien du volant en cas de rupture d’un asservissement, par exemple, et l’absorption de l’énergie en cas de rupture du guidage ou du rotor,
– les éléments de contrôle et de surveillance : capteurs de vitesse, capteurs de pression…

LES PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES

Caractéristiques énergétiques

La caractérisation des performances énergétiques des batteries, qu’elles soient électromécaniques ou électrochimiques, est réalisée à l’aide d’indicateurs de performance, sous la forme de valeurs indépendantes des dimensions du composant. Parmis les nombreux indicateurs énergétiques envisageables, nous retiendrons les quantités maximales d’énergie accumulée par unité de masse ou d’encombrement, nommées respectivement énergie spécifique et densité d’énergie. D’autres indicateurs peuvent être utilisés en fonction de l’application visée, comme la puissance disponible par unité de masse ou d’encombrement, pour les onduleurs de forte puissance, ainsi que des indicateurs économiques :

coût du kilowatt heure accumulé ou du kilowatt disponible.

Autres caractéristiques, avantages / inconvénients

Les autres caractéristiques de fonctionnement des batteries électromécaniques sont les suivantes :
– durée de vie en cycles : il s’agit du nombre de cycles complets de charge décharge pour lequel est dimensionné le volant. C’est un des principaux avantages de ces batteries, le dimensionnement en limite d’endurance d’un volant acier permettant un nombre de cycles théoriques “infini”, par exemple. Les volants en matériaux composites à base de fibres de verre, de carbone ou d’aramide, sont typiquement prévus pour 100 000 cycles,
– profondeur de décharge : c’est la proportion de l’énergie cinétique qui est effectivement restituable. Elle dépend de la plage fonctionnelle de la vitesse de rotation. Elle varie entre 75% et 90%,
– puissance massique ou volumique : les possibilités sont très importantes, permettant d’envisager des applications impulsionnelles. Les limites proviennent essentiellement du moteur-générateur, rarement des caractéristiques de résistance mécanique du volant,
– temps de décharge minimal : temps de décharge à puissance maximale en tenant compte de la profondeur de décharge et des conditions de fonctionnement du composant, puissance constante ou non. Il caractérise l’adéquation du composant avec certaines applications.

Il s’agit, ici, des principaux avantages de cette technologie par rapport aux batteries électrochimiques. Nous pouvons y ajouter une parfaite connaissance de la charge de la batterie par simple mesure de la vitesse de rotation. Les principaux inconvénients proviennent des grandes vitesses de rotation :
– autodécharge : c’est la propension de la batterie à se décharger au cours du temps. Les pertes proviennent des frottements dans les paliers et des frottements aérodynamiques,
– sécurité : la présence d’un corps en rotation rapide pose évidemment des problèmes de confinement en cas de rupture du rotor ou du guidage. Lorsque l’application envisagée est mobile en environnement non contrôlé, cas d’une utilisation dans un véhicule électrique, cet aspect devient prépondérant,
– énergie spécifique : en tenant compte de l’ensemble des composants de la batterie, la masse du composant peut être importante si le volant n’est pas constitué en matériaux à résistance spécifique élevée, comme les composites,
– couple gyroscopique : pour les applications mobiles, le couple gyroscopique généré par les variations de position de l’axe de rotation peut être très important, nécessitant la réalisation de paliers adaptés et la décomposition de la batterie en modules de faible contenance.

Ajoutons que, si le prix au kilowatt heure des batteries électromécaniques est supérieur à celui des composants électrochimiques standards, le coût de l’accumulation par cycle d’utilisation est nettement inférieur. Ces systèmes posent aussi moins de problèmes de recyclage.

Caractéristiques comparées

Multon et Hirsinger 1994 [67] et [26,63,88] récapitulent les possibilités de différentes technologies de batteries. Ces résultats sont compilés Tableau 1-1. Notons qu’il s’agit uniquement des caractéristiques des masses actives, sans les électroniques de puissance et les enceintes de confinement, par exemple. Les batteries électrochimiques sont basées sur les couples plomb et acide, nickel et cadmium, et lithium/carbone et polymère. Notons que les pertes augmentant fortement avec la puissance délivrée, leur capacité massique dépend des conditions de fonctionnement. Les technologies à induction, ou utilisant des condensateurs et des capacités, permettent d’obtenir de fortes puissances crêtes pendant des durées courtes. Selon Rabenhorst 1981 [28], dans un bilan des projets et applications utilisant les volants d’inertie, la densité d’énergie des batteries métalliques prévue est inférieure à 12 Wh/kg ; les composites à bas prix permettent d’obtenir 22 Wh/kg et des performances de 40-60 Wh/kg sont envisagées pour les applications mobiles. Vingt ans plus tard, les performances des volants proposés à la vente par Flywheel Energy Systems Inc, Flanagan 1998 [99] vont jusqu’à 95 Wh/kg pour 100 000 cycles.

D’autres technologies d’accumulation sont possibles. Kaftanoglu et al 1989 [45] en proposent quelques unes, basées sur la déformation élastique de corps solides ou non :
– accumulateur pneumatique ou hydraulique : 7,7 Wh/kg,
– déformation élastique de ressorts métalliques : 0,09 Wh/kg,
– déformation élastique de bandes caoutchouc : 8,8 Wh/kg.

Au vu de ces résultats, les points clefs des batteries électromécaniques sont principalement leur puissance spécifique et leur durée de vie en cycle. Cette technologie se place de façon intermédiaire entre les technologies chimiques et des technologies à faible temps de décharge.

APPLICATIONS

Les batteries électromécaniques sont principalement utilisées lorsque les technologies électrochimiques ne permettent pas d’obtenir facilement les performances imposées par le cahier des charges. Des informations générales sur les applications concernées sont données par Rabenhorst 1981 [28], Ashley 1993 [57], Acarnley et al 1995 [68] et Yonnet 1996 [88]. Remarquons que la crise pétrolière des années 70 a augmenté considérablement l’intérêt pour les volants d’inertie qui sont envisagés comme moyen de réduction des besoins énergétiques, dans le transport et dans le domaine de la distribution électrique urbaine. Cette période coïncide avec le développement des volants pour les applications spatiales et marque le début des applications industrielles, ce qui est mis en évidence par différents symposium dédiés aux volants d’inertie et au stockage inertiel.

LA FOURNITURE DE COURANT RÉGULÉ

Les applications de fourniture de courant, régulé par des batteries électromécaniques, sont les applications nous intéressant le plus directement, puisqu’elles recoupent les objectifs de notre étude. Elles sont toutes stationnaires et consistent essentiellement :
– à sécuriser la distribution : fonction d’onduleur,
– à diminuer la puissance totale des moyens de production en utilisant les batteries comme éléments de fourniture complémentaire lors des pics de consommation : fonction d’écrêtage et de régulation,
– à servir d’intermédiaire entre différentes technologies de production, turbines éoliennes et groupes électrogènes à moteur diesel par exemple : fonction tampon. Cette dernière comprend aussi des aspects de sécurisation et de régulation de la fourniture. Ces applications se différencient aussi par les ordres de grandeur en capacité et en puissance envisagée. Par exemple, Schoenung et Burns 1996 [84] réalisent, pour un distributeur d’électricité de la région de New York (Niagara Mohawk Power Corporation), une évaluation des technologies envisageables pour sécuriser la fourniture en courant d’une usine ou d’une région, ou pour écrêter la consommation en courant d’une région pendant 30 jours consécutifs l’hiver. Les capacités envisagées vont de 8 kWh à 550 MWh, et de 10 à 100 MW. D’après les auteurs, les batteries électromécaniques forment une solution acceptable pour les deux premières applications, en association avec des générateurs diesels dans le second cas. Des applications avec des capacités d’accumulation plus modestes ou moins centralisées sont aussi envisagées pour l’écrêtage journalier des consommations par Kirk 1977 [23], Mann et al 1991 [52] et Hull 1997 [90].

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LES BATTERIES ÉLECTROMÉCANIQUES
I. Principes et constituants
I.A. Batterie électromécanique
I.B. Les composants
I.C. Les principales caractéristiques
II. Applications
II.A. La fourniture de courant régulé
II.B. Les autres applications
II.C. Comparatif
III. Technologies des constituants
III.A. Le volant
III.B. Le moteur-générateur
III.C. Les paliers
III.D. Les éléments de sécurité
IV. Structures et intégration
V. Conclusion
CHAPITRE 2 : FAMILLES DE VOLANTS ET DIMENSIONNEMENT
I. Définition et propriétés des familles de volants
I.A. Exemple : les volants cylindriques
I.B. Définitions
I.C. Propriétés des familles de volants
I.D. Propriétés dans le domaine élastique linéaire
II. Vitesse maximale, capacités énergétiques
II.A. Coefficient de contrainte et vitesse maximale en limite d’élasticité
II.B. Coefficients énergétiques du volant
II.C. Dimensionnement en limite d’endurance
CHAPITRE 3 : CARACTÉRISATION DES VOLANTS
I. Réalisations en matériaux métalliques
I.A. Caractéristiques des différentes géométries en limite élastique
I.B. Surfaces de Pareto et domaines de solutions
II. Réalisations en matériaux céramiques
II.A. Dimensionnement des céramiques
II.B. Application aux volants
III. Réalisations en matériaux composites
III.A. Matériaux de référence
III.B. Anneaux de section constante
III.C. Amélioration par remplissage et domaines de solutions
IV. Bilan métaux et composites
IV.A. Caractéristiques énergétiques
IV.B. Estimation du prix
V. Puissance extractible
CHAPITRE 4 : BATTERIES DE RÉGULATION
I. Caractéristiques énergétiques
I.A. Applications et cahier des charges d’un module
I.B. Rendements, pertes et énergie cinétique maximale
II. Prédimensionnement des composants
II.A. Le volant
II.B. Le convertisseur électromagnétique
II.C. Les paliers
II.D. Éléments complémentaires
III. Structure et performances
III.A. Structure de la batterie
III.B. Caractérisation électromécanique en puissance
III.C. Prédimensionnement en puissance et énergie, sous contrainte d’inertie
IV. Optimisation géométrique du convertisseur
IV.A. Optimisations 2D
IV.B. Frettage
IV.C. Optimisations 3D
V. Autofrettage rotatif
V.A. Caractérisation de l’autofrettage rotatif
V.B. Gain sur critère élastique
V.C. Modification de la limite d’endurance
VI. Prototype d’étude
VI.A. Cahier des charges
VI.B. Dimensions générales
VI.C. Paliers et équilibrage
VI.D. Réalisation
CONCLUSION

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