27
Stockage d’énergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL A. Rufer

Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Stockage d’énergie embarqué, le potentiel des hybrides

Voiture et cité de demain

« Les énergies alternatives au service de la mobilité »

31 mars 2004, EPFL

A. Rufer

Page 2: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Stockage d’énergie embarqué, le potentiel des hybrides

1. Introduction: Les problèmes

3. Le cas de la propulsion Diesel-Electrique

2. Le cas d’un véhicule électrique à accumulateurs

4. Conclusions

Page 3: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Système de transport : Assistance en puissance

Les problèmes rencontrés en propulsion électrique:

- Limites et sollicitations en puissance des accumulateurs, longévité, coûts, puissance spécifique

Page 4: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Durée de vie, cycles et rendements

Storage system Life [cycles] Efficiency [%] Pumped Hydro 75 Years 70-80 Compressed air 40 Years Flow Batteries 1500-2500 75-85 Metal-Air 100-200 50 NAS 2000-3000 89 Other advanced batteries 500-1500 90-95 Lead-Acid 200-300 75 Supercapacitors 10’000-100’000 93-98

Page 5: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Système de transport : Assistance en puissance

Les problèmes rencontrés en propulsion électrique:

- Le fonctionnenent à charge partielle des sources embarquées (rendement, émissions)

- La dissipation des énergies de freinage

-Les coûts des sources alternatives embarquées, (dimensionnement pour la puissance de pointe, exemple de la pile à combustible)

Page 6: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Système de transport : Assistance en puissance

Les problèmes rencontrés en propulsion électrique:

- Le temps de recharge:

=> Disponnibilité en puissance du réseau

=> Capacité en puissance de la batterie

Page 7: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Système de transport : Assistance en puissance

Exemple I:

=> Un accumulateur hybride

Le scooter électrique de Peugeot

-Accumulateur à très basse tension (18V)

Page 8: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Système d’enregistrement des mesures

Page 9: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Parcours type : Vidy (375 m)– gare CFF (447 m)

0 100 200 300 400 500 600 700 800-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Vitesse et courant batterie

Temps (s)

Vitesse (m/s)

0 100 200 300 400 500 600 700 800-100

-50

0

50

100

150

200

250

Temps (s)Courant batteries (A)

Page 10: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Parcours type : Ouchy (374 m)– St François (495 m) – Beaulieu (535 m)

0 100 200 300 400 500 600 700-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Vitesse et courant batterie

Temps (s)

Vitesse (m/s)

0 100 200 300 400 500 600 700-50

0

50

100

150

200

250

300

Temps (s)Courant batteries (A)

Page 11: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Schéma bloc du scoot’elec et concept d’assistance en puissance

Convertisseur Convertisseur

Moteur

Supercapacités Batterie

Assistance en puissance Scooter actuel

Page 12: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Dimensionnement du stockeur d’énergie (parcours Vidy-Gare)

« Excursion » totale en énergie: 173 kJ

Utilisation de 29 supercondensateurs de 2600 F / 2.5V

Page 13: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Régulation pour la gestion énergétique

PmoteurCalcul de la

moyenne de la puissance moteur

du passé

Pmoteur

Uscap

-

Uscap cons

Calcul de la moyenne de l’erreur

entre Uscap et Uscap cons du

passé

P

Pscap cons

Lissage des pics

de puissance

fournis par les

batteries

Recharge des

scap

-

-

Page 14: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Résultats des simulations :Vidy – Gare CFF

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Courant batterie et supercondensateurs

Temps (s)

Courant batteries (A)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Temps (s)Courant supercondensateurs (A)

Page 15: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Résultats des simulations :Ouchy – St François - Beaulieu

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Courant batterie et supercondensateurs

Temps (s)

Courant batteries (A)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-100

-50

0

50

100

150

200

Temps (s)Courant supercondensateurs (A)

Page 16: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Convertisseur DC – DC multicanaux:- Réduire les pertes en commutation- Réduire les masses=> Plus de silicium, moins de composants passifs

ScapEe

UsLs

Cinter

T1 T3

T2 T4

T5

T6

Ls

Ls

Batteries

Convertisseur élévateur à 3 canaux

Page 17: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Convertisseur DC – DC : photo du montage

Convertisseur élévateur à 8 canaux

Page 18: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Convertisseur DC – DC : premières expérimentations

Convertisseur élévateur à 4 canaux, phase d’essais et d’optimisation

Page 19: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Ex. II: Transports en commun, péri-urbain, inter-urbain

Propulsion Diesel-electrique

Quelles améliorations avec un stockage embarqué?

- Réutiliser les énergies de freinage

- Réduire la puissance du générateur Diesel-Electrique

- Réduction des coûts et des émissions

Page 20: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Le concept original: freinage électrique, dissipation par résistances

DIESEL

motor

2 x 380 kW

Asynchronous

Generator

2 x 400 kW

Asynchronous

traction motor

2 x 350 kW

AC ACDC

Breakingchopper

DC / DCconverter

DC / ACConverter

AC / DCconverter

Energy flow for the traction chain

Energy flow for the breaking chain

Page 21: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Un exemple de parcours réel: Malles-Merano

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180001000

1200

1400

1600

1800Altitude trajet COMPLET

temps (s)

Altitude (m)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000

20

40

60

80

100

120

140Vitesse trajet COMPLET

temps (s)

V, Vperm (km/h)

VitesseVitesse maximale permise

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1x 10

6Puissance des moteurs de traction trajet COMPLET

temps (s)

Puissance (W)

P netteP moy

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000

2

4

6

8

10x 10

5 Variation de l´énergie aux bornes du moteur de traction trajet COMPLET

temps (s)

E nette (kWs)

data 2

Pmoy = 42.46 kW

Altitude

Puissance demandée(freinage inclus)et valeur moyenne

Page 22: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Les puissances , du générateur aux roues

Mechanical energy providedby the diesel motor

Energie moteurs de traction

Losses in the DC-DCconverter

Losses in the breakingresistors

Losses in the DC-ACconverter

Auxiliary equipments needs

Losses in the DC level

Losses in the AC-DCconverter

Mechanical losses

Page 23: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Le concept d’assistance pour le générateur Diesel-électrique

MG M

RECUPERATION

Diesel

Scap

ConvertisseurAC - DC

unidirectionnel

ConvertisseurDC - AC

bidirectionnel

ConvertisseurDC - DC

bidirectionnel

Elémertsstockeursd’énergie

Page 24: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Quelle capacité de stockage pour quelles économies?

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

600

700Réduction de la puissance maximale du moteur diesel

Energie stockée dans le banc supercapacitif (MJ)

Puissance du moteur diesel (kW)

PuissancePuissance minimale

D’abord supprimer les pointes de puissance!Potentiel élevé: environ 40-50%

Page 25: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Nombre de composants, volume et poids du stockage embarqué

Diesel motor Number of Volume Weightpower (kW) supercapacitors (l) (kg)

45 100878 42369 5296150 99772 41847 5230975 83772 35185 43981

100 81141 34079 42599125 72296 30365 37956150 62574 26574 32851175 53422 22437 28047200 44561 18716 23395225 36579 15364 19204250 28919 12146 15183275 22690 9530 11913300 17457 7332 9165325 12280 5158 6448350 8202 3445 4306400 5726 2405 3006450 4457 1872 2340500 3246 1365 1704550 2410 1012 1265600 976 410 513640 51 22 27680 0 0 0

Page 26: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Stockage d’énergie embarqué, le potentiel des hybrides

- Un grand intérêt à soutirer les pointes de puissance d’une source auxiliaire à impédance interne plus faible: sollicitation, capacité, autonomie

=> “Accumulateur hybride”

-Diesel-Electrique: peu de capacité de stockage auxiliaire pour beaucoup d’avantages

=> Hybride serie/parallèle à faible capacité de stockage

Conclusions

Page 27: Stockage dénergie embarqué, le potentiel des hybrides Voiture et cité de demain « Les énergies alternatives au service de la mobilité » 31 mars 2004, EPFL

Stockage d’énergie embarqué, le potentiel des hybrides