Caractérisation et modélisation de composants de stockage électrochimique et électrostatique

Dans cette thèse, des éléments de stockage d'énergie sont caractérisés en vue d'être modélisés. Daniel Bienaime, docteur de l'Université de Franche-Comté, pour tout le travail réalisé dans la bonne humeur durant ces trois années.

I NTRODUCTION GENERALE

C ONDENSATEURS

P RINCIPE DE FONCTIONNEMENT
T ECHNOLOGIES
G RANDEURS CARACTERISTIQUES
P ROPRIETES
A PPLICATIONS

S UPERCONDENSATEURS

O RIGINE / H ISTORIQUE
T ECHNOLOGIES
P ROPRIETES
A PPLICATIONS

SMES (S UPERCONDUCTING M AGNETIC E NERGY S TORAGE )

T ECHNOLOGIES
G RANDEURS CARACTERISTIQUES
P ROPRIETES
A PPLICATIONS

V OLANTS D ’ INERTIE

T ECHNOLOGIES
P ROPRIETES
A PPLICATIONS

A CCUMULATEURS ELECTROCHIMIQUES

E LEMENTS DE COMPARAISON ENTRE ACCUMULATEURS ELECTROCHIMIQUES

S TOCKAGE PAR LA FILIERE HYDROGENE

E LECTROLYSEUR
L E STOCKAGE DE L ’ HYDROGENE
A CCUMULATEUR A COMBUSTIBLE

L ES AVIONS CONVENTIONNELS

L’ ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES AVIONS CONVENTIONNELS
L E STOCKAGE DE L ’ ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES AVIONS CONVENTIONNELS

L ES AVIONS « PLUS ELECTRIQUES »

L’ ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES AVIONS « PLUS ELECTRIQUES »
L E STOCKAGE DE L ’ ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES AVIONS « PLUS ELECTRIQUES »

L ES HELICOPTERES

L’ ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES HELICOPTERES

L’idée de stocker de l’énergie à l’aide d’un mobile en mouvement est ancienne (plusieurs milliers d’années). La capacité théorique spécifique d'un accumulateur est la capacité de l'accumulateur ramenée à sa masse ou à son volume.

B ANC DE TEST DES ACCUMULATEURS

B ANC DE PUISSANCE
S UPERVISEUR
I MPEDANCEMETRE

A CCUMULATEURS TESTES
P ROCEDURE DE DETERMINATION DE LA CAPACITE
R ESULTATS DE LA CARACTERISATION
P RESENTATION DU MODELE QUASI - STATIQUE
P ROCEDURE DE CARACTERISATION
M ETHODE D ’ IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE QUASI - STATIQUE
R ESULTATS DE LA CARACTERISATION ET MODELISATION

C ARACTERISATION EXPERIMENTALE ET IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE
A NALYSE COMPLEMENTAIRE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
S IMULATION DU MODELE QUASI - STATIQUE

P RESENTATION DU MODELE DYNAMIQUE
P ROCEDURE DE CARACTERISATION
M ETHODE D ’ IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE DYNAMIQUE

R EPRESENTATION DE L ’ IMPEDANCE DU CIRCUIT R TC //C DC
R EPRESENTATION DE L ’ IMPEDANCE DU CIRCUIT R Ω + R TC //C DC
R EPRESENTATION DE L ’ IMPEDANCE DU CIRCUIT R Ω + R TC //C DC + Z D
M ODELISATION DU PHENOMENE DE DIFFUSION
I DENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE DYNAMIQUE

La figure II-9 montre la variation de la tension aux bornes de la batterie lors d'une décharge à courant constant. La figure II-11 montre une lecture du courant de décharge (fentes de courant) et de la tension aux bornes de la batterie, pendant le test à 20°C. En appliquant la relation II-1, on détermine l'évolution de la tension à vide en fonction de l'état de charge.

L'évolution de la résistance série est donnée en fonction de l'état de charge de l'accumulateur (Voir Figure II-14) et en fonction de la tension à vide (Voir Figure II-15). Ceci peut expliquer pourquoi l'évolution de la résistance série en fonction de l'état de charge n'est pas toujours prise en compte dans les modèles d'accumulateurs. Concernant l'évolution de la tension à vide en fonction de l'état de charge, « Resistance vs.

L'amplitude de la tension sinusoïdale superposée à la tension de polarisation est ajustée en fonction de la valeur de la résistance série de l'accumulateur.

26 Avec : Z exp : impédance complexe mesurée par SIE

C ARACTERISATION EXPERIMENTALE ET IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE
S IMULATION DU MODELE DYNAMIQUE

Les spectres d'impédance dans le plan de Nyquist (voir Figure II-36) renseignent sur l'évolution de l'impédance en fonction de l'état de charge de la batterie, à une température de 20°C. Quant à la partie réelle en fonction de la fréquence (voir Figure II-37), on constate que la résistance ne dépend plus de l'état de charge au-dessus d'une certaine fréquence (10 Hz à 20°C). Les résistances représentant les phénomènes de transfert de charge et de diffusion augmentent à mesure que l'état de charge diminue.

Après avoir étudié l’influence de l’état de charge sur les paramètres, il est intéressant de voir la température sur ces mêmes paramètres. La constante de temps du phénomène de transfert de charges, identifiée par spectrométrie, varie en fonction de l'état de charge de l'accumulateur et de la température. Constante de temps du phénomène de transfert de charge en fonction de l'état de charge à différentes températures.

Son évolution dépend de l'état de charge de la batterie et de la température (voir Figure II-41).

B ANC DE TEST DES SUPERCONDENSATEURS
S UPERCONDENSATEURS TESTES
P RESENTATION DU MODELE STANDARD R-C
P ROCEDURES DE CARACTERISATION

P ROCEDURES POUR LA DETERMINATION DE LA CAPACITE
P ROCEDURES POUR LA DETERMINATION DE LA RESISTANCE SERIE

M ETHODE D ’ IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE STANDARD R-C
P RESENTATION DU MODELE A DEUX BRANCHES R-C
M ETHODE D ’ IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE A DEUX BRANCHES R-C

C ARACTERISATION EXPERIMENTALE ET IDENTIFICATION DES PARAMETRES

La capacité est alors déterminée à partir de la pente de la tension en fonction du temps. Les paramètres du modèle standard sont déterminés à partir de l'évolution de la tension du supercondensateur en fonction du temps (voir Figure III-3) enregistrée lors d'un test de charge/décharge à courant constant. L'évolution de la capacité en fonction de la fréquence pour trois tensions et à 25 °C est donnée sur la Figure III-31.

Lectures de la partie imaginaire en fonction de la fréquence pour différentes tensions - SCAP Maxwell 1200F à 25°C. Sur la figure III-35 les résultats de la simulation du modèle dynamique sont donnés pour trois valeurs de m. Les résultats de simulation du modèle dynamique dans le domaine temporel sont présentés dans la Figure III-38.

L'avantage de ce modèle est qu'il prend en compte l'évolution de la capacité en fonction de la tension.

A RCHITECTURE DE LA POUTRE ELECTRIQUE
M ODELISATION DE LA POUTRE ELECTRIQUE
G ESTION DE L ’ ENERGIE DANS LA POUTRE ELECTRIQUE
D U PROFIL DE MISSION D ’ UN AERONEF AU PROFIL DE CHARGE DE LA POUTRE
D U PROFIL DE CHARGE DE LA POUTRE AU PROFIL DE COURANT POUR LES ELEMENTS DE STOCKAGE Dans ce paragraphe, les profils de courant sont élaborés pour chacune des sources, et

P ROFILS DE COURANT POUR LES SOURCES DU BUS N °1
P ROFILS DE COURANT POUR LES SOURCES DU BUS N °2

P ROCEDURE D ’ ESSAI POUR LA VALIDATION DES MODELES D ’ ACCUMULATEUR
R ESULTATS D ’ ESSAIS ET EVALUATION DES MODELES D ’ ACCUMULATEUR
P ROCEDURE D ’ ESSAI POUR LA VALIDATION DES MODELES DE SUPERCONDENSATEUR
R ESULTATS D ’ ESSAIS ET EVALUATION DES MODELES DE SUPERCONDENSATEURS

R ESULTATS D ’ ESSAIS ET EVALUATION DES MODELES DE CELLULE 650F
R ESULTATS D ’ ESSAIS ET EVALUATION DES MODELES DE CELLULE 3000F

Par conséquent, les profils de courant pour valider les modèles de source ACC1 et SCAP1 peuvent être déterminés en simulant le fonctionnement du faisceau dans la configuration normale. Une simulation de faisceau électrique est réalisée en configuration normale, en mission complète. A partir des simulations de poutres, nous déduisons l'évolution des états de charge des SSE du bus n°1 (Cf. Figure IV-7).

Le profil actuel de la source ACC1 provient des profils de charge du faisceau passés à travers le filtre de gestion de l'énergie. Le profil actuel des supercondensateurs du bus n°1 est également obtenu en exploitant la simulation du fonctionnement de l'ensemble du faisceau en configuration normale. La figure IV-10 montre le REM du faisceau en mode dégradé (sans les éléments de stockage dans le bus n°1) et sa structure de contrôle maximum.

Profils actuels pour la validation des modèles de ressources de bus No. 2 peut donc être déterminé à partir d'une simulation du comportement du faisceau en mode dégradé.

D IMENSIONNEMENT D ’ UN PACK DE SUPERCONDENSATEURS

G ENERALITES SUR LES CARACTERISTIQUES ENERGETIQUES D ’ UN SUPERCONDENSATEUR

Outre les grandeurs caractéristiques données en I.2.2.4, les caractéristiques énergétiques d'un supercondensateur sont décrites en détail dans cette section. Pour faciliter la compréhension, les quantités indiquées ci-dessous sont liées au modèle R-C standard du supercondensateur (voir Figure V-1). La convention utilisée est la suivante : lorsque la puissance est positive, le supercondensateur se décharge et de l'énergie est libérée ; lorsque le courant est négatif, l'énergie est chargée et stockée.

De manière générale, on définit une tension minimale Usc_min, en dessous de laquelle il est déconseillé de descendre lors de la décharge d'un supercondensateur, et le rapport de tension d tel. Pour une tension maximale Usc_max, l'énergie maximale Wsc_max [J] est stockée dans le supercondensateur. L’énergie maximale stockée dans un supercondensateur ne peut pas être entièrement récupérée. Puis on définit l'énergie utile Wsc_useful [J], en tenant compte du rapport de tension.

3 Pour un ratio de 0,5 correspondant à une tension minimale égale à la moitié de la tension maximale, l’énergie

Cette équation du second ordre admet deux solutions si son déterminant est positif, c'est-à-dire si. Cette condition se traduit par deux limites, une en tension Uc_min et une en puissance Psc_max. Si l'on considère le supercondensateur à l'état initial chargé (sous la tension maximale Usc_max), l'évolution de la tension à ses bornes lors de la décharge est la même.

C ARACTERISTIQUES D ’ UN PACK DE SUPERCONDENSATEURS
M ETHODE POUR LE DIMENSIONNEMENT D ’ UN PACK DE SUPERCONDENSATEURS

Dans la figure V-2, le modèle d'un pack de supercondensateurs établi à partir du modèle standard d'un élément de supercondensateur est présenté. L'énergie et la puissance d'un pack de supercondensateurs sont respectivement obtenues par la somme de l'énergie et de la puissance des cellules Nsc composant le pack. La taille d'un pack de supercondensateurs consiste en la détermination de la cellule de supercondensateur ad hoc et du nombre de cellules nécessaires pour satisfaire les besoins énergétiques demandés à cette source, tout en respectant les limitations imposées par son environnement et liées à ses propres limitations technologiques. .

Tout d’abord, la performance énergétique s’exprime dans l’énergie que doit fournir le dispositif de stockage. On parle ici d’énergie utile, au sens de l’énergie qui peut être restituée par l’ESS. Dans notre cas, le critère choisi est la masse, car la densité énergétique est essentielle pour une application embarquée.

Le nombre d'éléments Nelem est le rapport entre l'énergie maximale requise Wmax_cdc et l'énergie maximale Wsc_max (cf. rapport V-2) que peut fournir la cellule.

28 Etape 4 : Vérification par rapport au courant maximal admissible dans une cellule

D IMENSIONNEMENT D ’ UNE BATTERIE D ’ ACCUMULATEURS

G ENERALITES SUR LES CARACTERISTIQUES ENERGETIQUES D ’ UN ACCUMULATEUR
C ARACTERISTIQUES D ’ UNE BATTERIE D ’ ACCUMULATEURS
M ETHODE DE DIMENSIONNEMENT D ’ UNE BATTERIE D ’ ACCUMULATEURS

La convention utilisée est la suivante : lorsque la puissance est positive, l'accumulateur se décharge et récupère de l'énergie ; lorsque la puissance est négative, elle charge et stocke l'énergie. L'énergie et la puissance d'une batterie d'accumulateurs sont obtenues respectivement par la somme de l'énergie et de la puissance des cellules Nacc qui composent la batterie. La donnée d’entrée pour la taille d’une batterie d’accumulateurs est d’abord la performance énergétique attendue, et notamment l’énergie que la batterie peut libérer.

Pour une batterie, la notion de profondeur de décharge est liée à l'énergie utile et à ce titre fait partie des données d'entrée. Pour rappel, l'énergie utile pour un accumulateur peut être exprimée en fonction de l'énergie maximale Wacc (Cf. relation I-19), selon la relation V-50 où DOD est la profondeur de décharge [%], en considérant constante tension à vide E0 . La taille de la batterie est basée sur l'énergie maximale stockée, dont l'expression en fonction de l'énergie requise est donnée dans le V-51.

Le nombre d'éléments de Nelem est le rapport entre l'énergie maximale requise Wmax_cdc et l'énergie maximale Wacc (Cf. relation I-19) que peut fournir une cellule.

53 Etape 4 : Vérification par rapport au courant maximal admissible dans une cellule

D IMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE DE LA POUTRE

H YBRIDATION / ASSOCIATION D ’ ELEMENTS DE STOCKAGE
A SSOCIATION D ’ ELEMENTS DE STOCKAGE DANS LA POUTRE ELECTRIQUE

D IMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE DU BUS N °1

I NITIALISATION DU DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE DU BUS N °1
R ESULTATS DU DIMENSIONNEMENT

D IMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE DU BUS N °2

I NITIALISATION DU DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE DU BUS N °2
R ESULTATS DU DIMENSIONNEMENT

D IAGRAMME E NERGIE /P UISSANCE DES ELEMENTS DE STOCKAGE

D IAGRAMME E NERGIE /P UISSANCE D ’ UN SUPERCONDENSATEUR
D IAGRAMME E NERGIE /P UISSANCE D ’ UN ACCUMULATEUR ELECTROCHIMIQUE

D IAGRAMME E NERGIE /P UISSANCE DES SSE DE LA POUTRE ELECTRIQUE
C OMPLEMENT AU DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE
V ALIDATION DU DIMENSIONNEMENT DES SSE DU BUS N °1
V ALIDATION DU DIMENSIONNEMENT DES SSE DU BUS N °2

L'architecture du porteur et la gestion de l'énergie influencent le dimensionnement des éléments d'alimentation du porteur. Dans cette deuxième partie, les résultats du dimensionnement des éléments d'alimentation du faisceau électrique sont présentés. Ce paragraphe est destiné au dimensionnement des éléments mémoire du bus n°1. 1, c'est-à-dire la batterie mémoire (ACC1) et le pack supercondensateur (SCAP1).

Pour conclure cette deuxième partie, l'impact de la gestion des fréquences sur le dimensionnement des éléments mémoire est important. Pour compléter cette étude, il est nécessaire de vérifier que la taille des éléments de stockage est également adaptée à la suite de la mission. Les éléments de stockage ont été dimensionnés pour fournir l'énergie nécessaire au début de la mission.

Dans cette section, une validation du dimensionnement des SSE du bus n°2 est présentée en simulant leur comportement en réponse à une variation de la tension du bus.

C ONCLUSION

Un deuxième modèle fonctionnel a également été développé pour intégrer l'influence de la tension sur la valeur de la capacité des supercondensateurs. Dans un premier temps, l'élaboration des profils actuels a été présentée à partir des profils de mission typiques d'un avion, de l'architecture et de la stratégie de gestion de l'énergie (c'est-à-dire la répartition des besoins énergétiques entre les sources présentes selon des critères précis). Enfin, le dernier chapitre est consacré à la dimension des éléments de stockage du faisceau électrique.

La taille proposée tient compte de ces différentes associations et de la stratégie de gestion énergétique développée dans le cadre du Projet. Ces modèles intègrent l'influence de la température sur leurs paramètres, permettant de simuler le fonctionnement du système à différentes températures et de valider le dimensionnement dans ces conditions. Deuxièmement, l’impact de la température doit être pris en compte pour la modélisation et le dimensionnement.

De plus, le dimensionnement des éléments de roulement peut être amélioré en prenant en compte l'influence de la température.

A NNEXES

La capacité théorique maximale d'une électrode est atteinte lorsque tout le matériau électroactif est transformé. La capacité restituée, ici, correspond à la quantité de charge restituée lors d'une décharge à vitesse nominale respectant le critère final défini par le constructeur, le critère initial n'étant pas forcément un accumulateur complètement chargé. Dans l'hypothèse de Warburg, le phénomène de diffusion peut être représenté par une impédance qui s'exprime en fonction du paramètre suivant.

CO : concentration du comburant à la surface de l'électrode [mol.cm-3] CR : concentration du réducteur à la surface de l'électrode [mol.cm-3] DO : coefficient de diffusion du comburant [ cm2.s- 1 ].

SLPB11043140H

R ESULTATS EXPERIMENTAUX

C ARACTERISATION PAR CHRONOPOTENTIOMETRIE