Etude comparative de deux systèmes de stockage d’énergie hybrides lors d’un freinage et d’une traction extrêmes

Contraintes liées à la batterie Li-Ion

Les batteries Li-Ion (cf. §I.1.5) ont un niveau de densité énergétique spécifique (75-200 Wh/kg) plus élevé que la batterie à plomb-acide (35-50 Wh / kg), la batterie nickel-cadmium (50- 60 Wh/kg) et la batterie nickel-hydrure métallique (70-97 Wh/kg), [192]. Des sociétés comme Panasonic, Tesla, LG Chem et Samsung SDI investissent fortement dans les cellules NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) et NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide). Autres les contraintes liées aux pertes de capacité et l’emballement thermique (cf. §I.1.5.c), la batterie Li-Ion ne peut pas répondre à des profils de puissance dynamique élevée résultant d’une accélération ou d’un freinage régénératif puisque le transfert de charge se produit par des réactions chimiques de réduction et d’oxydation. Ces profils surchargent la batterie et affectent négativement sa longévité et sa durée de vie. En fait, ces actions entraîneront une dégradation au niveau cellulaire, augmenteront la résistance interne, menant à une perte de capacité de la batterie. Néanmoins, les volants d’inertie et l’UC ont la densité de puissance nécessaire pour répondre à ses besoins de puissance mais pour des durées relativement courtes.

Analogie UC/Volant d’Inertie 

Analogies Electromécaniques

La quantité de puissance transférée est le produit de deux grandeurs physiques, l’une relative à un effort, l’autre à un flux: (V.1) Puisque les deux variables de puissance jouent un rôle égal pour chaque domaine d’énergie, la « force-tension », connue sous le nom d’analogie classique ou directe, est la plus utilisée et est présentée par: (V.2) Chapitre V 105 Une UC est un élément d’énergie électrique potentielle. L’énergie stockée a une forme électrochimique et électrostatique. Alors qu’un volant d’inertie (Flywheel – FW) est un élément mécanique d’énergie cinétique. L’énergie stockée a une forme mécanique (cf. Tableau V.1). Tableau V.1: Analogie classique des domaines électrique/mécanique Domaine mécanique Domaine électrique Vitesse de rotation Courant Couple Tension Moment d’inertie Inductance Amortisseur Resistance Ressort Capacité Energie potentielle Energie électrostatique Energie Cinétique Energie magnétique Une UC établit une relation causale entre la tension appliquée à ses bornes et le courant développé: (V.3) où est la capacitance de l’UC. La puissance récupérée ou délivrée par l’ultracapacité est le produit de sa tension par le courant. D’un point de vue contrôle/commande, nous pouvons réguler le courant de zéro à la valeur qui assurerait un flux de puissance maximal de 60 kW, même à la tension minimale de l’ultracapacité. Ceci a été pris comme contrainte dans toute la conception de contrôle/commande et comme spécifications au moment du dimensionnement de l’UC. Le courant est la quantité électrique ayant la dynamique la plus élevée dans le système. Il est aussi considéré comme la variable du flux de l’équation (V.1). Ainsi, compte tenu des caractéristiques physiques de l’UC et des exigences de contrôle, l’UC peut fournir / absorber la puissance maximale de 60 kW, si nécessaire, par les systèmes de freinage et de contrôle de traction. Comme mentionné, un FW est un élément cinétique de rotation. Sous l’action d’un couple, une accélération de rotation aura lieu, comme indiqué ci-dessous: (V.4) est le moment d’inertie, il est considéré comme l’analogie mécanique de l’inductance. La puissance récupérée ou délivrée par le FW est le produit de son couple par la vitesse de rotation angulaire. D’un point de vue contrôle/commande, la régulation est effectuée sur le couple qui est la variable d’effort considérée de l’équation (V.1). La valeur maximale du couple est déterminée par les contraintes magnétiques et électromécaniques de la machine électrique entraînant le volant d’inertie. Afin d’éviter un surdimensionnement, la puissance maximale a été calculée pour un couple maximal (22 Nm) délivré par la machine. A un certain point de fonctionnement, la puissance maximale délivrée / absorbée sera limitée par la vitesse du FW. V.2.2 Critères de comparaison Les mesures de performance d’un système de stockage d’énergie électrique peuvent être résumées par l’efficacité du cycle, le coût par unité de capacité ($/kWh ou $/kW), l’énergie spécifique (Wh/kg), la puissance spécifique (W/kg), la densité d’énergie (Wh/l), la densité de puissance (W/l), la durée de vie, l’impact sur l’environnement, y compris les coûts d’élimination en fin de vie et la sécurité [112], [126]. Chapitre V 106 La durée de vie de la batterie est courte en raison d’une détérioration chimique inévitable au sein de la batterie (cf. §V.1). Aucun élément de stockage d’énergie électrique ne peut simultanément remplir toutes les caractéristiques souhaitées d’opération. Il sera nécessaire de combiner une densité énergétique plus élevée assurée par la batterie, en tant que source primaire, et des éléments de stockage d’énergie de plus grande densité de puissance, comme les ultracapacités ou le volant d’inertie. Le Tableau V.2 énumère la comparaison des caractéristiques techniques des éléments de stockage d’énergie. Les données ont été recueillies à partir de différentes références. On rencontre souvent une divergence de valeurs d’une référence à une autre. Cette question sera discutée en détails afin de renforcer l’argument stipulant que la comparaison devrait être effectuée pour une application particulière.