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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 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
Système de transport : Assistance en puissance
Les problèmes rencontrés en propulsion électrique:
- Limites et sollicitations en puissance des accumulateurs, longévité, coûts, puissance spécifique
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
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)
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
Système de transport : Assistance en puissance
Exemple I:
=> Un accumulateur hybride
Le scooter électrique de Peugeot
-Accumulateur à très basse tension (18V)
Système d’enregistrement des mesures
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)
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)
Schéma bloc du scoot’elec et concept d’assistance en puissance
Convertisseur Convertisseur
Moteur
Supercapacités Batterie
Assistance en puissance Scooter actuel
Dimensionnement du stockeur d’énergie (parcours Vidy-Gare)
« Excursion » totale en énergie: 173 kJ
Utilisation de 29 supercondensateurs de 2600 F / 2.5V
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
-
-
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)
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)
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
Convertisseur DC – DC : photo du montage
Convertisseur élévateur à 8 canaux
Convertisseur DC – DC : premières expérimentations
Convertisseur élévateur à 4 canaux, phase d’essais et d’optimisation
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
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
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
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
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
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%
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
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
Stockage d’énergie embarqué, le potentiel des hybrides