Conception et Commande du Système de Stockage Hybride d’Energie

Ce chapitre présente le dimensionnement, la conception et la simulation du système de stockage hybride utilisé lors du freinage du véhicule électrique. Une attention particulière sera apportée à la synthèse des correcteurs utilisés par le hacheur DC/DC à 3-niveaux lors de la récupération. Comme rappel, le véhicule est entraîné par deux moteurs de puissance 30 kW chacun. Le système de stockage contient une batterie Li-Ion et une ultracapacité (UC) ainsi qu’une résistance de freinage. L’ultracapacité sera, principalement, impliquée dans le mode de freinage et de traction du véhicule. Le rôle de la résistance est de protéger le bus DC et la batterie contre les contraintes de tension et de courant. Le dimensionnement des éléments prend en compte les conditions de freinage extrêmes du véhicule tout en respectant la régulation ECE R13H (Economic Commission for Europe Regulation No. 13 Harmonized). Les correcteurs permettent d’asservir les différentes variables électriques du système. Un contrôleur à logique séquentielle sera aussi utilisé pour activer les différents correcteurs de régulation existant et pour assurer la commutation entre les éléments de stockage en fonction de l’état du système. Des essais de simulation seront effectués couvrant une large plage de fonctionnement en fonction de la vitesse du véhicule et du type de la route et pour des conditions de freinage extrêmes.

Dans le premier paragraphe, la configuration électrique du système est présentée. Le dimensionnement des éléments et la quantification de l’énergie sont traités dans le second paragraphe. Le troisième paragraphe analyse les aspects de contrôle du convertisseur à trois niveaux comme interface entre l’UC et le bus DC. La commande pseudo-cascade du hacheur de freinage est présentée dans le quatrième paragraphe. Un contrôleur à base de logique séquentielle assurant l’activation du hacheur 3-niveaux est brièvement analysé dans le cinquième paragraphe. Le dernier paragraphe traite les essais de simulation ainsi que l’analyse des résultats. Parmi les différentes configurations [70], un convertisseur continu/continu à trois niveaux sera proposé comme interface entre l’UC et le bus DC. Cette configuration permet à l’UC d’être utilisée sur une large gamme de tension maximisant l’énergie récupérée. Un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), situé en aval de la résistance de freinage, permettra la commutation entre l’UC et la batterie en mode de récupération (cf. Figure ‎IV.2) sont traitées dans [170], [171], [172]. Elles peuvent se résumer par la réduction de moitié de la tension aux bornes des interrupteurs à base d’électronique de puissance, la réduction de la taille de l’inductance de filtrage et de l’UC et par l’amélioration de la performance dynamique du convertisseur. Cependant, la conception de la commande est beaucoup plus complexe par rapport à une topologie buck-boost classique [173], [174], impliquant une ultracapacité et une batterie.

La structure de la batterie choisie pour la simulation est la même que celle de la batterie du véhicule Nissan Leaf. La batterie lithium-ion de traction de 24 kWh est à base d’oxyde de manganèse stratifiée. Elle contient 48 modules avec 4 cellules LiMn2O4 par module [175], [176]. La structure totale sera composée de 96 série de deux cellules 33.1 Ah en parallèle (192 au total). La capacité totale de la batterie devient alors 66.2 Ah. Le niveau de tension de la batterie choisie est indiqué au Tableau ‎l’ultracapacité, la capacitance nominale et l’efficacité de la conversion [177]. La tension maximale de l’ultracapacité doit être inférieure à la tension du bus DC et le gain du convertisseur DC/DC inférieure ou égale à 1. La tension minimale est déterminée par la valeur maximale du courant du convertisseur DC/DC Ic0max. En général, elle est choisie à 40 ou 50% de la valeur maximale de la tension, tel que Les effets inertiels des éléments en rotation ont été négligés [181]. La puissance totale de freinage est donc 316 kW. Cette puissance doit être partagée entre les roues avant et arrière. Le rapport entre la force de friction avant et la force de friction totale respectant la régulation ECE R13 tout en assurant un rapport de freinage avant/arrière maximal est exprimé par le coefficient Durant le freinage, les fractions d’énergie sont réparties entre les roues dépendent de l’état initial du véhicule, de l’état de la roue, de la vitesse des moteurs,…Autres pertes doivent aussi être prises en considération comme la résistance de roulement et la résistance aérodynamique. Ces forces de résistances contribuent aussi à la décélération du véhicule. On utilisera un calcul approximatif pour dimensionner les ultracapacités de notre application.