Fiche individuelle

A Hybrid Energy Storage System (HESS) uses DC-DC converters to couple its energy sources. However, this device represents a "dead weight" in the system and must be reduced to a minimum in order to maximize the HESS' performance. This work proposes a new coupling architecture to reduce the converter's volume and mass. Not yet addressed in the literature, this architecture is based on a series coupling of the sources. In this case, a DC-DC converter is used to control the current difference between the two sources. If this difference is zero, so is the power processed by the converter. By reducing the power processed by the converter, its mass and volume can be reduced. Simulation and experimental tests were carried out to validate the architecture concept. For the latter, power supplies were used to emulate the batteries and the load, and a 2 kg, 3.3 kW evaluation board served as the DC-DC converter. The results show that, compared to a conventional solution that is usually adopted in the literature, with the series architecture, it is possible to reduce the converter sizing power by almost 3.7.

Recent studies have shown that the use of battery-battery coupling in Hybrid Energy Storage Systems (HESS) presents advantages in terms of mass, volume and cost when compared to the battery-supercapacitor coupling. However, the sizing of this type of system is not much studied in the literature. So, in this paper a graphical sizing method using Ragone plots is presented. With this method, a HESS perfectly suited to a given application can be obtained.

When analyzing the characteristics of a Hybrid Energy Storage System in a Ragone plot, it can be seen that the mass of the necessary power electronics has a great influence on the system’s performance. Although many coupling architectures have been studied so far, the size of the power converter is not usually a priority. So, in this paper, a low-volume and high-efficiency converter is proposed. Placed in series between the sources, the converter depends only on the voltage difference between them. In this way, the converter can be reduced, since it does not manage the total power supplied by the accumulators, as a classic converter.

Les sources de stockage hybrides (HESS) utilisent des convertisseurs DC-DC pour assurer le couplage des sources d'énergie. Pour des applications où l’espace disponible pour embarquer la batterie est limité, le volume et la masse de l’électronique de puissance doivent être réduites au maximum. C’est le cas des véhicules électriques. Dans ce travail, une nouvelle architecture de couplage permettant de réduire le volume et la masse du convertisseur est proposée. Cette architecture, basée sur un couplage en série des sources, est comparée aux solutions classiques. Elle permet de réduire très fortement la puissance de dimensionnement de l’électronique de puissance du HESS.

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.