Power-energy batteries hybridization with reduced sizing coupling converter: Application to urban electric vehicles
Hybridation de batteries puissance-énergie avec convertisseur de couplage à dimensionnement réduit : Application aux véhicules électriques urbains
Résumé
The electric vehicle (EV) is a fast-growing mode of transport due to environmental constraints. Its development is closely linked to the evolution of battery technologies: they are required to be more efficient, less expensive, and also less dependent on critical materials such as lithium and cobalt. In present EVs, the range is a critical point and manufacturers tend to favor ranges that are much longer than the real needs for travel. This choice favors the use of energy-type batteries (EB) with a high energy density (ED), but a limited power density (PD). This type of battery is perfectly suited to long ranges, as the low PD is compensated for by the large mass of the battery on board. Thus, these EVs are able to support high power dynamics: strong acceleration, and efficient electric braking. If we want to make the use of EVs more democratic, while limiting the impact on the environment, other solutions must be considered. One of the main keys is the development of lighter EVs with a reasonable range. But if the EB is smaller, its PD limits the vehicle's dynamics and especially its regenerative braking. Hybrid energy storage systems (HESS) can solve this problem. They combine two storage sources: a first one with high ED, associated with a second one with high PD. In addition, these HESS systems make it possible to mix and therefore diversify energy storage technologies. Their main drawback is requiring power electronics converters to balance the vehicle's power between the two HESS sources. This additional mass degrades the performance of the HESS in energy and power density. It is therefore essential to reduce the mass of this additional converter as much as possible. The purpose of this thesis is to study the sizing of the EB-PB couple associated with a DC-DC converter with reduced sizing power when compared to traditional solutions. In order to study the complete HESS system, a sizing method for the EB-PB couple is proposed. Then, in order to reduce the mass of the coupling converter, two original HESS architectures are proposed: a series architecture and a controlled current source cascade architecture. Their objective is to reduce the power transferred by the coupling converter. These architectures require the use of a similar converter, which is an isolated DC/DC, whose electrical requirements depend on the chosen architecture. In order to evaluate the power sizing of the converter, an energy management strategy adapted to each architecture is proposed and used. These strategies allow to size the power of the coupling converter according to the batteries couple chosen by simulating the driving cycle. The simulations validate the sizing of the complete HESS: EB, PB, and isolated DC-DC. They show that the design power can be reduced by more than 90% compared to a conventional coupling architecture. The two coupling architectures are then validated in laboratory on an experimental bench.
Le véhicule électrique (VE) est un mode de transport en plein essor du fait des contraintes environnementales. Son développement est étroitement lié à l’évolution des technologies de batteries : on leur demande d’être plus efficientes, moins coûteuses et également moins dépendantes de matériaux critiques tels que le lithium et le cobalt. Dans les VE actuels, l’autonomie est un point critique et les constructeurs ont tendance à privilégier des autonomies largement supérieures aux besoins réels de déplacement. Ce choix favorise l’utilisation de batteries de type énergie (EB) possédant une forte densité d'énergie (ED), mais une densité de puissance (PD) limitée. Ce type de batterie est parfaitement adapté aux grandes autonomies, la faible PD étant compensée par une masse importante de batterie embarquée. Ainsi, ces VE sont capables de supporter des dynamiques de puissance élevées : fortes accélérations, freinage électrique efficace. Si on veut démocratiser l’utilisation du VE, tout en limitant l’impact sur l’environnement, d’autres solutions doivent être envisagées. Une des clés principales est le développement de VE plus légers avec une autonomie raisonnable. Mais si l’EB est plus petite, sa PD limite alors la dynamique du véhicule et surtout son freinage récupératif. Les systèmes hybrides de stockage d'énergie (HESS – Hybrid Energy Storage System) peuvent résoudre ce problème. Ils combinent deux sources de stockage : une première à forte ED, associée à une seconde à forte PD. De plus, ces HESS permettent de pouvoir mixer et donc diversifier les technologies de stockeurs d’énergie. Leur principal défaut est de nécessiter la présence de convertisseurs d’électronique de puissance afin de répartir la puissance du véhicule entre les deux sources du HESS. Cette masse supplémentaire dégrade les performances du HESS en densité d’énergie et de puissance. Il est donc nécessaire de réduire autant que possible la masse de ce convertisseur supplémentaire. L’objet de cette thèse est l’étude du dimensionnement du couple EB-PB associé à un convertisseur DC-DC à puissance de dimensionnement réduite comparativement aux solutions traditionnelles. Afin d’étudier le système HESS complet, une méthode de dimensionnement du couple de batteries EB-PB est proposée. Ensuite, en vue de réduire la masse du convertisseur de couplage, deux architectures originales de HESS sont proposées : une architecture série et une architecture cascade à source de courant contrôlée. Elles ont pour objectif la réduction de la puissance transitée dans le convertisseur de couplage. Ces architectures nécessitent l’utilisation d’un convertisseur similaire, à savoir un DC/DC isolé, dont les contraintes électriques dépendent de l’architecture choisie. Afin d’évaluer la puissance de dimensionnement du convertisseur, une stratégie de gestion d’énergie adaptée à chaque architecture est proposée et utilisée. Ces stratégies permettent de dimensionner en puissance le convertisseur de couplage selon le couple de batteries choisies en simulant le cycle de conduite. Les simulations valident le dimensionnement du HESS complet : EB, PB et DC-DC isolé. Elles montrent ainsi que la puissance de dimensionnement peut être réduite de plus de 90% par rapport à une architecture de couplage classique. Les deux architectures de couplages sont ensuite validées en laboratoire sur un banc expérimental.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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