Partenaires

Ampère

Nos tutelles

CNRS Ecole Centrale de Lyon Université de Lyon Université Lyon 1 INSA de Lyon

Nos partenaires

Ingénierie@Lyon



Rechercher


Accueil > Thèses et HDR > Thèses en 2017

28/11/2017 - Christophe SAVARD

par Laurent Krähenbühl - publié le , mis à jour le

Christophe Savard soutient sa thèse le 28/11/2017
10h30 - INSA, Rotonde des Humanités, salle René Char.

Titre :
Amélioration de la fiabilité des Systèmes de Stockage de l’Énergie Électrique multicellulaire par circuits d’équilibrage reconfigurables

Jury :

  • Directeur de thèse : Eric Niel (Ampère)
  • Encadrement : Pascal Venet, Ali Sari, Laurent Piétrac (Ampère)
  • Rapportrice/teur : Zineb Simeu-Abazi (Grenoble) et Hamid Gualous (Caen)
  • Examinatrice/teur  : Marie-Cécile Pera (Franche-Comté) et Armand Toguyeni (Lille)

Résumé :
Les systèmes de stockage de l’énergie électrique (SSEE) de forte capacité sont souvent configurés en systèmes matriciels à partir d’un grand nombre de cellules élémentaires de stockage. En raison des tolérances de fabrication et de l’usage, les caractéristiques électriques de ces cellules n’évoluent pas de manière identique. Ces déséquilibres diminuent la disponibilité opérationnelle, à court terme en contribuant à la diminution de la capacité de charge-décharge, à long terme en réduisant la durée de vie. Pour améliorer les performances du stockage, des cellules redondantes peuvent être ajoutées. Il est aussi possible, pour accroître l’efficacité de la restitution de l’énergie stockée, d’équilibrer les caractéristiques électriques en recourant à des échanges d’énergie forcés par une configuration adéquate. Il devrait ainsi pouvoir être possible d’accroître la disponibilité à long terme en reconfigurant les connexions internes en dynamique.
Les SSEE à architecture PS (parallèle-série) sont constitués de l’association en série de modules, constitués de plusieurs cellules connectées en parallèle. La solution duale SP (série-parallèle) associe en parallèle des modules constitués de cellules en série. Si d’autres architectures sont en cours d’étude, nécessitant souvent plusieurs interrupteurs par cellule pour reconfigurer la structuration en matrice, nous proposons dans cette thèse une nouvelle architecture satisfaisant un niveau de fiabilité acceptable et répartissant les flux de courant, appelée C3C. Nous comparons les solutions classiques et le C3C du point de vue de la fiabilité et de la disponibilité à long terme et proposons une réflexion sur les possibilités de commande discrète pour piloter l’architecture avec un algorithme de pilotage adapté.
La fiabilité d’une structure peut être améliorée par redondance, avec des cellules supplémentaires qui seront utilisées soit pour remplacer des cellules défaillantes, soit en suppléant temporairement les plus faibles. Cette structure peut également être conçue pour tolérer la défection d’une partie des cellules. Nous démontrons par une modélisation utilisant des diagrammes de fiabilité et des chaînes de Markov que les architectures C3C et PS présentent un niveau de fiabilité bien supérieur à celui d’une architecture SP.
La durabilité de ces structures peut également être améliorée en pilotant la mise en service et la mise au repos des ressources disponibles selon différentes stratégies déclinées dans un algorithme de choix fondé sur les SoC (état de charge) ou les SoH (état de santé) de chaque cellule. Pour ce faire, nous avons modélisé une cellule sous Matlab, en simulant précisément les paramètres de vieillissement et leur évolution dynamique. Il en ressort que, quelle que soit l’architecture, pour peu qu’elle comprenne une part minimale de cellules redondantes, une adéquate gestion différenciée des cellules permet une amélioration de la disponibilité opérationnelle à long terme de près de 40% en moyenne. En vue d’étudier le contrôle de la reconfigurabilité des architectures, nous proposons une modélisation à base de Système à Événements Discrets au travers d’un réseau de Pétri coloré. La simulation de ce modèle a conforté les comportements déjà identifiés.

Abstract :
High-capacity electrical energy storage system (EESS) are often matrix-organized system with a large number of elementary storage cells. Due to manufacturing tolerances and their individual use, the electrical characteristics of these cells do not evolve in the same way. These imbalances reduce operative dependability, in the short term by contributing to a decrease of the charge-discharge capacity, in the long-term by shortening lifetime. To improve storage performance, redundant cells can be added. It is also possible, in order to increase efficiency of stored energy restitution, to balance electrical characteristics by using energy exchange forced by an adequate configuration. It should therefore be possible to increase long-term operative dependability by reconfiguring internal connections in dynamic mode.
Parallel-series (PS) architecture EESS consists of the series association of blocks, made up of several cells connected in parallel. Series-Parallel dual solution (SP) associates strings of cells in parallel. If other architectures are being studied, often requiring several switches per cell to reconfigure the matrix, we propose in this thesis a new architecture, called C3C, satisfying an acceptable level of reliability and distributing current flows. We then compare the classic solutions and the C3C in terms of reliability and the long-term operative dependability and propose a reflection on the possibilities to discrete control aspects to pilot architecture with a suitable control algorithm.
The reliability of any structure can be improved by redundancy, with additional cells that will be used either to replace failing cells or temporarily supplementing the weak ones. The system may also be designed to tolerate the defect of a portion of the cells. We demonstrate by modeling reliability diagrams and Markov chains that the C3C and PS architectures have a much higher level of reliability than a SP architecture.
The sustainability of these structures can also be improved by piloting activating and rest of the available resources according to different strategies in a choice algorithm based on SoC (State of Charge) or SoH (State of Health) of each cell. To do this, we model a cell on Matlab, precisely simulating the aging parameters and their dynamic evolution. It emerges that, whatever the architecture, if it includes a minimal share of redundant cells, an adequate differentiated management of the cells allows an improvement of the long-term operative dependability of nearly 40% on average. In order to study the reconfigurability control of architectures, we propose a model based on Discrete Event Systems through a colored Petri net. Simulation of this model has reinforced the behaviors already identified.


Publications

https://hal.archives-ouvertes.fr/AMPERE/search/index/q/%2A/authFullName_s/Christophe+Savard/