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POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR ingénieur électricien diplômé EPF de nationalité suisse et originaire de Essertes (VD) acceptée sur proposition du jury:
Suisse
2008
Prof. Y. Perriard, président du jury
Prof. A. Rufer, directeur de thèse
Prof. H. Bleuler, rapporteur
Prof. A. Bouscayrol, rapporteur
Dr G. Coquery, rapporteur
Assistance énergétique à base de supercondensateurs pour véhicules à propulsion électrique et hybride
Blaise DESTRAzTHÈSE N
O
4083 (2008)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE
LE 23 m
AI 2008
À LA FACULTE FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ÉLECTRONIQUE INDUSTRIELLE
PROGRA
mm
E DOCTORAL EN ENERGIE
Remerciements
Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire d"Electronique In- dustrielle dirigé par le Professeur Alfred Rufer. Il n"aurait pas pu être réalisé sans l"aide d"un grand nombre de personnes auxquelles je dois toute ma reconnaissance. Mes premiers remerciements sont adressés au Prof. A. Rufer, direc- teur de thèse, pour son soutien, son encadrement, sa confiance et son enthousiasme durant la totalité du temps que j"ai passé dans le labora- toire. Je le remercie également pour la relecture de mon manuscrit, de ses commentaires pertinents et des propositions faites pour l"améliorer. Je tiens ensuite à remercier tous les membres du jury, Prof. Y. Per- riard, Prof. H. Bleuler, Prof. A. Bouscayrol et Dr. G. Coquery pour leurs commentaires concernant le manuscrit, pour le temps consacré pour la lecture de ma thèse et pour avoir accepté de faire partie du jury de thèse. Je souhaite remercier tous les partenaires industriels pour leur sou- tien technique, leurs conseils et la mise à disposition de matériel, notam- ment M. Froehlich, M. Klohr et M. Scholten de l"entreprise Bombardier Transportation, M. Altherr de l"entreprise Stadler Rail AG et M. Tanner de l"entreprise Oerlikon Batterie. J"exprime toute ma gratitude à tous mes collègues du laboratoire et plus particulièrement au Dr. Philippe Barrade, premier assistant du laboratoire, pour son soutien, son aide, la relecture du manuscrit et les différentes discussions pertinentes concernant les sujets de ma thèse. Les différents résultats trouvés au cours de mon travail sont directement liés à la qualité du matériel informatique mis à disposition et géré par Ro- i berto Zoia. Je remercie également Yves Birbaum et Fabienne Vionnet pour la gestion efficace du matériel, pour les conseils lors de la réalisa- tion de circuits, pour l"aide concernant toutes les tâches administratives et pour leur bonne humeur. Tous les autres membres du laboratoire m"ont permis de réaliser ma thèse dans de bonnes conditions et dans une atmosphère de travail agréable. Je remercie tous les étudiants qui ont participé aux différents pro- jets concernant mon travail de thèse et plus particulièrement Numa Uchimoto pour les différentes discussions concernant la réalisation du simulateur de réseaux. Un grand merci à ma famille pour leur soutien tout au long de la réalisation de mon travail de thèse. Mes derniers remerciements sont adressés à Sylvain Hauser pour ses contributions, son soutien, ses encouragements et ses explications avi- sées pour la conception de circuits ainsi qu"à Yannick Louvrier, collègue de bureau, pour toutes les discussions tant professionnelles qu"extra- professionnelles et son soutien très actif dans les différentes tâches liées
à la réalisation d"une thèse.
ii
Résumé
Avec leXXI
e siècle, le domaine des transports rencontre un cer- tain nombre de problèmes, dont ceux de la raréfaction des ressources de pétrole et de la pollution de l"air. Depuis quelques dizaines d"années, des recherches sont faites dans ce domaine. Les véhicules de type hy- bride électrique ont un grand potentiel pour une solution à court terme. Ils conservent une source d"énergie conventionnelle, mais un stockeur d"énergie est ajouté à bord. Ainsi, l"autonomie du véhicule est assurée par la première source d"énergie et les contraintes en puissance instan- tanée élevée sont assurées par la seconde. En plus, le stockeur ajoute la possibilité de récupérer l"énergie de freinage de manière optimale. Au cours de cette dernière décennie, un développement très impor- tant a été fait dans le domaine du stockage de l"énergie. Les supercon- densateurs sont apparus. Ce sont des composants de puissance adaptés pour une application dans le domaine des transports : leur durée de vie est de plus de 500 000 cycles alors que leur densité en puissance (W/kg) est beaucoup plus élevée que celle des batteries. Ce travail concerne les domaines de la pollution de l"air et du dé- veloppement de nouveaux éléments stockeurs d"énergie. Il présente les propriétés liées à l"utilisation d"un système d"assistance en puissance pour véhicules. Dans ce cas, le stockeur d"énergie auxiliaire est embarqué et il est composé de supercondensateurs. Le gain sur la consommation énergétique du véhicule dépend directement de son type, du parcours et de la taille du stockeur d"énergie. Une méthode de dimensionnement optimale de la taille du stockeur d"énergie est développée. Une application dans plusieurs catégories de véhicules est présen- iii tée : un réseau de transport alimenté par caténaire, un véhicule diesel- électrique et un véhicule électrique léger. Pour tous ces cas, la taille du stockeur d"énergie, le système de gestion de l"énergie à bord et la baisse de consommation d"énergie primaire sont définis. Suite aux différentes méthodes développées, il est possible de défi- nir les conditions pour lesquelles un système d"assistance en puissance apporte un réel gain sur la consommation énergétique. L"ajout d"un système de stockage d"énergie à bord d"un véhicule ne peut pas se faire sans l"ajout d"un convertisseur statique. Il est utilisé principalement pour adapter les niveaux de tension entre le stockeur et les autres équipements de propulsion du véhicule et pour assurer la ges- tion de l"énergie à bord. Un convertisseur continu-continu multicanaux entrelacés fonctionnant en mode de conduction discontinu est spéciale- ment dédié aux applications mobiles. Le poids et le volume sont réduits par rapport à un convertisseur standard et le rendement est plus élevé.
Mots clés
Stockage d"énergie - Supercondensateur - Assistance en puissance - Véhicule - Réseau de transport - Consommation énergétique - Conver- tisseur DC/DC iv
Summary
So far in the Twenty-first century the field of people transportation has had numerous setbacks, of these some are related to air pollution and some to the rarefaction of petroleum sources. Studies have been undertaken within this domain for many years now. Hybrid vehicles in which the conventional energy source is kept and an on-board energy source is added are showing themselves to be a potentially good solution in the short term. In these hybrids the vehicle autonomy is assumed by the first energy source and the power constraints are taken upon by the second. Moreover, the storage element adds the possibility to recuperate the braking energy in an optimal way. During the last decade, an important development has come about in the field of energy storage elements. The supercapacitors newly ap- pearing on the scene are power components well suited for an application in transportation domain: their lifetime is over 500,000 cycles and their power density (W/kg) is much higher than for batteries. The present work is concerned with air pollution and energy storage elements and presents the details of using a power assistance system for vehicles. In this case, the auxiliary power energy storage element is on board and is made of supercapacitors. The decreased energy con- sumption of the vehicle is directly dependant on the vehicle"s type, the route driven and the size of the storage element within the vehicle. An optimal method of sizing the energy storage element is developed. An application of the principles is presented in three different cate- gories of vehicle: a transportation network fed by catenaries, a diesel- electric vehicle and a light electrical vehicle. In all three cases, the size v of the storage elements, the on-board energy control system and the reduction of the vehicle consumption are defined. Following the different methods developed here, it is possible to de- fine the conditions for when a power assistance system can give a real decrease in the vehicle"s energy consumption. When an on-board storage element is added in a vehicle, a static converter has to be used. Its main role is to adapt the voltage level between the storage element and the other vehicle propulsion equipment and to control the energy flow on board the vehicle. An interleaved muti- channel continuous-continuous converter operating in a discontinuous conduction mode is especially dedicated to mobile applications. This type of converter is lighter and smaller in volume, yet its efficiency is greater.
Key words
Energy storage - Supercapacitor - Power assistance - Vehicle - Trans- port network - Energy consumption - DC/DC converter vi
Table des matières
Remerciements i
Résumé iii
Summary v
Notations xiii
1 Introduction 1
1.1 Introduction......................... 1
1.2 Motivations et objectifs de la thèse............ 5
1.3 Structure de ce document................. 6
2 Les véhicules, augmentation de leur rendement 9
2.1 Introduction......................... 9
2.2 Solutions pour diminuer les gaz polluants et les pertes
énergétiques......................... 10
2.2.1 Véhicules standards à moteur thermique..... 11
2.2.2 Véhicules électriques................ 12
2.2.3 Véhicules dont la source d"énergie est un volant
d"inertie....................... 13 vii
2.2.4 Véhicules dont la source d"énergie est de l"air com-
primé........................ 14
2.2.5 Véhicules dont la source d"énergie est une pile à
combustible..................... 15
2.2.6 Véhicules hybrides................. 16
2.3 Concept de l"assistance en puissance pour véhicules . . . 20
2.3.1 Contraintes en puissance sur un parcours.... 21
2.3.2 Système optimal d"assistance en puissance.... 26
2.3.3 Gain sur le rendement énergétique en fonction de
la longueur du parcours et du poids à vide du véhicule....................... 28
2.4 Conclusion......................... 32
3 Les différents types d"accumulateurs d"énergie 35
3.1 Introduction......................... 35
3.2 Types d"accumulateurs d"énergie pour les véhicules . . . 36
3.2.1 Accumulateurs d"énergie de type mécanique . . . 36
3.2.2 Accumulateurs d"énergie de type électrique . . . 43
3.3 Comparaison des différents types de stockeurs...... 50
3.3.1 Durée de vie et rendement du stockeur...... 50
3.3.2 Diagramme de Ragone............... 51
3.3.3 Plan de Ragone................... 54
3.4 Conclusion......................... 55
4 Un réseau de transport alimenté par caténaire 57
4.1 Introduction......................... 57
4.2 Définition d"un parcours de référence........... 60
4.3 Caractéristiques du véhicule de référence......... 63
4.4 Système d"assistance en puissance proposé........ 65
4.4.1 Structure du branchement du stockeur d"énergie
dans le véhicule................... 68
4.4.2 Régulation du système d"assistance en puissance 71
4.5 Simulateur de réseau de transport à caténaire...... 72
4.5.1 Structure du simulateur.............. 73
4.5.2 Modèles mécaniques du véhicule......... 74
4.5.3 Modèles électriques................. 81
4.5.4 Modèles du réseau d"alimentation, couplage entre
les véhicules..................... 82 viii
4.5.5 Modèle des sous-stations.............. 84
4.5.6 Noeud bilan..................... 85
4.5.7 Boucle de calcul dans Simulink.......... 86
4.5.8 Méthode de calcul retenue pour déterminer la ten-
sion de ligne.................... 87
4.6 Paramètres du véhicule et de la ligne utilisés pour les
simulations......................... 90
4.7 Résultats pour un véhicule avec et sans stockeur.... 91
4.8 Résultats pour un réseau de véhicules standards..... 94
4.8.1 1 véhicule sur le parcours............. 94
4.8.2 1 véhicule toutes les 5 minutes sur le parcours . . 97
4.9 Résultats pour un réseau de véhicules avec un stockeur
d"énergie........................... 99
4.9.1 1 véhicule sur le parcours............. 100
4.9.2 1 véhicule toutes les 5 minutes sur le parcours . . 102
4.10 Consommation énergétique du réseau de transport . . . 104
4.10.1 Un seul véhicule sur la ligne............ 105
4.10.2 Un véhicule toutes les 5 minutes sur la ligne . . . 107
4.10.3 Pourcentage de véhicules avec un stockeur embar-
qué dans le réseau de transport.......... 108
4.10.4 Variation du poids à vide des véhicules...... 109
4.10.5 Variation de la puissance des auxiliaires..... 110
4.10.6 Variation de la résistance linéique de la ligne . . 112
4.11 Conclusion......................... 114
5 Un véhicule diesel-électrique 117
5.1 Introduction......................... 117
5.2 Définition d"un parcours de référence........... 119
5.3 Caractéristiques du véhicule................ 123
5.4 Mesure des puissances................... 126
5.5 Système d"assistance en puissance............. 128
5.5.1 Structure du branchement du stockeur d"énergie
dans le véhicule................... 130
5.5.2 Régulation du système d"assistance en puissance 132
5.6 Dimensionnement du banc de supercondensateurs.... 136
5.6.1 Modification des contraintes sur le moteur diesel 136
5.6.2 Recherche de la taille du stockeur en fonction de
la taille du moteur diesel............. 141 ix
5.6.3 Résultats du dimensionnement.......... 143
5.7 Simulations sur le parcours type............. 149
5.7.1 Descriptif du simulateur.............. 149
5.7.2 Résultats obtenus pour le cas du moteur diesel de
380kW ....................... 150
5.7.3 Résumé des résultats obtenus pour les autres cas
de moteurs diesel.................. 153
5.8 Considérations économiques................ 155
5.8.1 Considérations économiques pour la fabrication
du véhicule..................... 155
5.8.2 Considérations économiques pour l"exploitation
du véhicule..................... 158
5.8.3 Considérations économiques globales....... 160
5.9 Conclusion......................... 162
6 Un véhicule électrique léger 165
6.1 Introduction......................... 165
6.2 Définition du véhicule de référence............ 167
6.3 Mesures effectuées sur le parcours de référence..... 170
6.4 Le système d"assistance en puissance pour un véhicule
électrique.......................... 176
6.5 Dimensionnement du stockeur d"énergie additionnel . . . 178
6.5.1 Détermination de l"énergie et de la puissance pour
le stockeur d"énergie additionnel......... 179
6.5.2 Modèle de supercondensateurs retenu...... 181
6.5.3 Détermination du nombre de supercondensateurs
nécessaire...................... 181
6.5.4 Détermination de la structure du banc de super-
condensateurs.................... 182
6.5.5 Changement du type de batteries......... 184
6.6 Régulation pour la gestion énergétique dans le véhicule . 185
6.7 Simulations du véhicule avec un système d"assistance en
puissance.......................... 186
6.8 Conclusion......................... 192
7 Convertisseur statique associé au stockeur d"énergie 195
7.1 Introduction......................... 195
7.2 Principe du convertisseur DC/DC multicanal entrelacé . 196
x
7.2.1 Mise en parallèle de plusieurs convertisseurs élé-
mentaires...................... 197
7.2.2 Entrelacement de chaque canal.......... 198
7.2.3 Utilisation du mode de conduction discontinue . 199
7.2.4 Conduction inverse des transistors MOS..... 203
7.3 Cahier des charges pour la réalisation du convertisseur . 204
7.4 Stratégie de commande pour le convertisseur multicanal 205
7.4.1 Réalisation des signaux de commande...... 205
7.4.2 Régulateurs pour le convertisseur complet.... 207
7.5 Détermination du nombre de canaux........... 210
7.6 Résultats des simulations................. 217
7.7 Résultats expérimentaux.................. 223
7.8 Conclusion......................... 230
8 Conclusion générale 233
8.1 Résumé........................... 234
8.2 Résultats.......................... 236
8.3 Perspectives......................... 239
A Relations pour un convertisseur DC/DC multicanal 241 A.1 Relations pour un convertisseur de type abaisseur.... 241 A.2 Relations pour un convertisseur de type élévateur.... 246 B Interfaces graphiques pour le simulateur de réseau 253 B.1 Interface pour l"introduction des paramètres....... 254 B.2 Interface pour l"affichage des résultats.......... 255
C Consommation d"un réseau de véhicules 257
C.1 Variation de la proportion de véhicules avec un stockeur 258 C.2 Variation du poids à vide des véhicules.......... 259 C.3 Variation de la puissance des auxiliaires......... 260 C.4 Variation de la résistance linéique de ligne........ 261
Table des figures 263
Liste des tableaux 271
Bibliographie 273
xi
Curriculum Vitae 281
xii
Notations
Abréviations
DODDepth of Discharge (Profondeur de décharge)
EPFLEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne
FSChemins de fer italiens
GGénérateur
GTWGelenktriebwagen (Automotrice articulée)
K1,2Interrupteurs dans une cellule de commutation
LEILaboratoire d"Electronique Industrielle
MMoteur
MGMoteur-Générateur
PSIPaul Scherrer Institut
PWMPulse width modulation
SMESSuperconducting Magnetic Energy Storage
SstaSous-station
ScapSupercondensateur
TRTransistor
VhcVéhicule
Symboles
aAccélération[m/s 2 xiii A f
Constante proportionnelle au carré de la
vitesse (Force de frottements aérodynamiques)[N·s 2 ·m -2 A sc
Constante proportionnelle au carré de la
vitesse (Régulation de la puissance du bancquotesdbs_dbs16.pdfusesText_22
[PDF] Utilisation des supercondensateurs pour les stockage - garmanage