Soutenance mémoire
De nos jours, le réchauffement climatique est l’un des dilemmes qui exalte les efforts des pays afin d’en limiter les conséquences graves. A la base, il s’agit d’un phénomène naturel que le globe terrestre connait depuis l’aube des temps. Les fluctuations naturelles de température sont aux alentours de plus ou moins 1°C par millénaire. Or, les mesures terrestres de températures réalisées au cours du XXe siècle montrent une élévation significative de la température moyenne, ce qui traduit une situation alarmante. Le groupe intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) fondé par l’ONU est chargé de réaliser une synthèse des études scientifiques sur ce sujet. Dans son dernier rapport, le GIEC a présenté des projections des modèles climatiques indiquant que la température à la surface du globe est susceptible d’augmenter de 1,1 à 6,4°C supplémentaires au cours du XXIe siècle. La corrélation entre les relevés de CO2 et l’augmentation des températures prouve la responsabilité de l’activité humaine liée à la production massive de gaz à effets de serre (GES). Bien que l’étude soit limitée à la période allant jusqu’à 2100 , le réchauffement devrait se poursuivre au-delà de cette date, même si les émissions s’arrêtent, en raison de la grande capacité calorifique des océans et de la durée de vie du CO2 et des autres GES dans l’atmosphère.
Les conséquences prévues théoriquement de ce réchauffement accéléré sont nombreuses et difficiles à cerner. Cependant, on en citera plusieurs qui sont déjà visibles : la fréquence, l’intensité et la durée des phénomènes extrêmes (canicules, inondations, sécheresses, cyclones…) se sont accentuées ; les écarts thermiques entre les saisons et les continents sont de moins en moins marqués ; le recul des glaciers et la fonte des calottes polaires augmentent le niveau des océans ; les cycles de vie de certaines espèces animales et végétales sont modifiés et leur risque d’extinction s’accroît, etc…
Outre ces impacts sur l’environnement, tous les secteurs socio-économiques seront affectés. Ces conséquences imposent la mise à jour de l’infrastructure physique et sociale, allant d’une modification des pratiques de construction à une adaptation des systèmes de santé. Le secteur de l’agriculture sensible au climat sera aussi touché. Le changement de température affecte la période des récoltes ; les précipitations fortes provoquent de sérieux glissements de terrain ou de violentes coulées de boue d’où le besoin d’adaptation de ce secteur pour résister aux catastrophes naturelles plus intenses et plus fréquentes.
L’ensemble des études et données annoncent donc un danger qui menace la vie sur la Terre. Ce problème planétaire touche le monde entier sans exception et nécessite donc un engagement au niveau international afin d’en limiter les conséquences et sauver la planète.
L’activité humaine génère des GES qui sont une des causes du réchauffement climatique. La combustion des énergies fossiles est l’un des premiers facteurs qui augmentent la production des GES. C’est pourquoi aujourd’hui il est nécessaire de trouver de nouvelles énergies propres pour, sans même penser à baisser cette production, tenter au moins d’arrêter sa croissance. Actuellement, la quasi-totalité des activités (industries, transport, habitat etc..) se base sur les dérivés du pétrole (essence et gazole) dont les stocks sur la planète sont limités ce qui entraine un problème économique et politique : la rareté des ressources liée à l’augmentation incontrôlable de la demande cause la croissance ingérable des prix et implique une dépendance politique envers les pays fournisseurs. Des solutions doivent donc être mises en œuvre pour limiter la consommation du pétrole tant dans l’industrie, que l’habitat ou les transports.
Dans le domaine des transports, l’hybridation des motorisations thermiques est une solution provisoire qui prépare pour les motorisations tout électriques. En utilisant des sources d’énergie électriques au lieu des dérivés du pétrole, l’efficacité énergétique du véhicule est améliorée et, en même temps, les émissions du véhicule et la consommation des carburants à base de pétrole sont réduites.
Depuis plusieurs années, les études sur ces nouvelles configurations de véhicules sont lancées. Différents sujets sont évoqués, mais la batterie reste l’élément primordial vu que le bon fonctionnement des véhicules hybrides et électriques est lié à la disponibilité du réseau de puissance et donc par conséquent à la batterie. Dans ce genre d’applications où de fortes puissance et tension sont nécessaires, les accumulateurs (dits aussi cellules) sont branchés en parallèle pour former ce qu’on appelle un étage. L’association de plusieurs étages en série forme un module, et finalement un pack est constitué de plusieurs modules en série.
Le marché des batteries ne cesse d’évoluer au cours des années et les thèmes de recherche peuvent être divisés en deux groupes. Le premier porte sur la chimie et les processus de fabrication des batteries, et vise à augmenter l’énergie, la puissance, la sécurité et la dimension des cellules, de manière à être compatible avec les exigences de l’automobile. Le second s’intéresse aux modes d’utilisation des batteries et concerne le développement des modèles pour décrire leurs comportements, des algorithmes pour estimer des variables non mesurables, des circuits électroniques pour gérer les batteries pendant leur fonctionnement, etc… Le premier thème de recherche apparaît dans ce manuscrit au travers du choix de la technologie de l’accumulateur, alors que le cœur de l’étude appartient au deuxième.
La batterie est souvent accusée d’être le facteur limitant de ces nouvelles catégories de véhicules. Etant la partie la plus coûteuse (50% du prix du véhicule), ni le constructeur, ni le consommateur ne désirent assumer le coût financier du remplacement du pack batterie au cours de la vie du véhicule.
Le développement d’un véhicule propre englobe par conséquent l’optimisation de sa chaîne de motorisation du point de vue du coût et de l’autonomie, ainsi qu’une mise en adéquation de la durée de vie du pack batterie avec celle du véhicule. Malheureusement, les performances des batteries déclinent au fil de leur utilisation, ce qui rend leur gestion un enjeu essentiel pour la diffusion des véhicules propres dans des conditions de coûts acceptables. Un système de management de batterie (BMS pour Battery Management system) à bord d’un véhicule est nécessaire afin de protéger les batteries de tous les dommages éventuels, de prolonger leur durée de vie, et de veiller à les maintenir à un niveau de fonctionnement optimal. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs indices d’état sont prédéfinis dont deux sont primordiaux pour une bonne gestion de l’énergie. Une bonne connaissance de l’état de charge (SOC pour State Of Charge) et de l’état de santé (SOH pour State Of Health) permet de déterminer le niveau de fonctionnement que peut assurer la batterie. Une bonne surveillance de la batterie permet également d’assurer son fonctionnement en toute sécurité et prévenir tout risque de dégradation des accumulateurs eux-mêmes (emballement thermique, explosion) et de leurs performances. Dans la littérature, on mentionne souvent la pertinence de l’impédance électrique pour atteindre ces objectifs. Sur la base d’observations des variations de l’allure du spectre d’impédance avec les conditions de mesures (courant, SOC , SOH, etc …), on suggère une corrélation implicite ou explicite de l’impédance avec ces indices. Dans cette optique, le projet de recherche proposé dans ce mémoire vise à établir un système d’estimation en embarqué de l’impédance électrique des accumulateurs et s’inscrit dans le cadre de l’amélioration des systèmes de gestion de batterie.
Toute l’étude portera sur un accumulateur de technologie Li-ion. En effet, cette technologie présente une excellente densité d’énergie, une durée de vie importante et ne possède pas d’effet mémoire. Après des débuts plus ou moins satisfaisants sur des technologies nickel-cadmium (NICD) ou nickelhydrure métallique (NIMH), les batteries Li-ion semblent prometteuses pour une utilisation dans des applications de puissance et donc représentent la prochaine génération de système de stockage qu’intégreront les véhicules électriques.
Problèmes écologiques et économiques liés au transport
De nos jours, la quasi-totalité des activités humaines s’appuie sur la consommation des dérivés du pétrole (essence et gazole), ce qui est particulièrement vrai pour le secteur du transport. La raréfaction de ces ressources et le réchauffement climatique que subit notre ère poussent à l’émergence de nouvelles énergies alternatives propres et renouvelables. Le développement de véhicules hybrides et électriques s’inscrit dans cette tendance de fond. De tels véhicules permettront de circuler, d’une part, en réduisant l’émission des gaz à effet de serre (GES) reconnus être les principaux agents responsables du réchauffement climatique, et d’autre part, sans être menacés par la raréfaction des ressources pétrolières.
Le transport en tant que principal émetteur de GES
Le terme GES regroupe plusieurs gaz émis par les activités humaines [1] :
– le dioxyde de carbone (CO2) qui provient de la combustion des énergies fossiles,
– le méthane (CH4) qui provient de l’élevage des ruminants, de la culture du riz, des décharges d’ordures, des exploitations pétrolières, gazières et charbonnières,
– le protoxyde d’azote (N2O) qui vient des engrais azotés et de divers procédés chimiques,
– les gaz fluorés ou hydrofluorocarbures (HFC) qui sont des gaz propulseurs des bombes aérosols, des gaz réfrigérants ou proviennent d’industries diverses,
– les hydrocarbures perfluorés ( PFC ) qui sont émis notamment lors de la fabrication de l’aluminium,
– l’hexafluorure de soufre (SF6 qui est un gaz inerte utilisé comme détecteur de fuite et isolant électrique.
Dans son cinquième rapport scientifique de 2013 [2], le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) confirme, avec plus de 90% de certitude, que le réchauffement observé ces cinquante dernières années provient essentiellement de l’augmentation des émissions de GES par les activités humaines (chauffage, transports, industries, élevage intensif). La corrélation entre l’augmentation de la température et celle de la concentration des GES et plus particulièrement le CO2 (unité : parties par million en volume (ppmv)) est un des éléments qui permettent d’étayer cette hypothèse .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : CONTEXTE GENERAL
1.1 PROBLEMES ECOLOGIQUES ET ECONOMIQUES LIES AU TRANSPORT
1.1.1 Le transport en tant que principal émetteur de GES
1.1.2 Le pétrole : conflits économiques et politiques
1.2 VERS L’ELECTRIFICATION DU VEHICULE
1.3 GENERALITES SUR LES ACCUMULATEURS
1.3.1 Les technologies des accumulateurs
1.3.2 Grandeurs caractéristiques d’un accumulateur
1.3.2.1 La capacité de stockage %
1.3.2.2 La capacité nominale %
1.3.2.3 La capacité stockée
1.3.2.4 Le rendement faradique (%)
1.3.2.5 L’autodécharge (%)
1.3.2.6 La tension à vide (1%8 pour Open Circuit Voltage)
1.3.2.7 La durée de vie en cyclage et calendaire
1.3.3 Les accumulateurs Li-ion 13
1.3.3.1 Fonctionnement
1.3.3.2 Phénomènes physico-chimiques
a) L’effet de couche double
b) Transfert de charge
c) La diffusion
d) Film de passivation
e) Pertes ohmiques
1.3.4 Des accumulateurs aux batteries
1.4 SYSTEME DE SUPERVISION DE BATTERIE
1.4.1 Indices d’états
1.4.1.1 Etat de santé (51%)
1.4.1.2 Etat de charge (51%)
1.4.2 Terminologie
1.5 L’ACCUMULATEUR : OBJET DE MODELISATION
1.5.1 Boite Blanche
1.5.2 Boite noire
1.5.3 Boite grise
1.5.3.1 Le modèle de Randles généralisé
1.5.3.2 Application aux cellules LiFePO4
1.6 CIRCUIT ELECTRIQUE EQUIVALENT ET NOTION D’IMPEDANCE ELECTRIQUE
CHAPITRE 2 : IDENTIFICATION DE L’IMPEDANCE ELECTRIQUE D’UN ACCUMULATEUR
2.1 HYPOTHESES DE TRAVAIL
2.2 ETAT DE L’ART
2.2.1 Identification de la résistance interne
2.2.1.1 Mesure par milliohmmètre
2.2.1.2 Temps de repos (period-of-rest)
2.2.1.3 Impulsion de courant
2.2.1.4 Interprétation
2.2.1.5 Exploitation
2.2.2 Spectroscopie d’impédance électrique (SIE)
2.2.3 Vers une rupture inévitable des méthodes classiques
2.3 IDENTIFICATION NON PARAMETRIQUE D’UN ACCUMULATEUR
2.3.1 Système linéaire et invariant dans le temps (LIT)
2.3.2 Identification non paramétrique
2.3.2.1 Principe
2.3.2.2 Cohérence spectrale
2.3.2.3 Algorithme d’identification non paramétrique
2.3.2.4 Intervalles de confiance
2.3.3 Erreurs d’estimations
2.3.3.1 Erreur quadratique moyenne et variance d’erreur d’estimation
2.3.3.2 Erreur quadratique moyenne efficace et écart type normalisés
2.3.4 Intérêt majeur de l’identification large bande pour l’application en embarqué
2.3.5 Effet des paramètres de la méthode d’estimation
2.3.5.1 Signal d’excitation
a) Bruit blanc aléatoire
b) Séquence binaire pseudo aléatoire
c) Chirp
d) Carré modulé en fréquence
e) Carré
2.3.5.2 Nombre d’échantillons, durée d’acquisition, moyennage
2.3.5.3 Drift compensation
2.4 APPLICATION AUX ACCUMULATEURS : ETUDE EN SIMULATION
2.4.1 Système, entrée, sortie
2.4.2 Visualisation des résultats
2.4.3 Validation des résultats
2.4.4 Simulations
2.4.4.1 Paramètres de simulation
2.4.4.2 Cohérence spectrale
2.4.4.3 Intervalles de confiance
2.4.4.4 Effet du bruit de mesure
2.5 CONCLUSION
CHAPITRE 3 : VALIDATION EXPERIMENTALE DES RESULTATS
3.1 BANC EXPERIMENTAL
3.1.1 Electronique de génération des signaux à motifs carrés
3.1.2 Technique d’identification par analyse par harmonique (AH)
3.1.3 Mesure à quatre points
3.1.4 Circuit électrique de référence
3.1.4.1 Description du circuit électrique de référence
3.1.4.2 Contraintes pour une mesure directe
3.2 PROTOCOLE EXPERIMENTAL
3.2.1 Technologie de l’accumulateur
3.2.2 Réglage du point de fonctionnement
3.2.3 Amplitude du signal d’excitation
3.2.4 Paramétrage des expérimentations
3.2.4.1 Conception des signaux d’excitation
3.2.4.2 Séparation des mesures
3.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
3.3.1 Résultats des essais sur le circuit électrique de référence
3.3.1.1 Résultats avec la technique d’analyse par harmonique
3.3.1.2 Résultats de la technique d’identification large bande
3.3.1.3 Résultats avec l’AH à base de signaux carrés périodiques
3.3.1.4 Interprétation des résultats
3.3.2 Test sur un accumulateur réel
3.3.2.1 Etude dans la gamme de fréquence
a) Résultats avec la SBPA
b) Résultats avec un signal carré modulé en fréquence
c) Résultats avec un signal carré périodique
d) Interprétation des résultats
3.3.2.2 Etude en basses fréquences
3.4 CONCLUSION
CHAPITRE 4 : L’IMPEDANCE ELECTRIQUE POUR LA SUPERVISION DES ACCUMULATEURS
4.1 IMPEDANCE ELECTRIQUE
4.1.1 Technologie DFRA/DFIS
4.1.2 Identification partielle d’un % » en utilisant une SBPA
4.1.3 Principe de normalisation pour l’identification sous un courant de polarisation fort
4.1.4 Algorithme d’optimisation : amélioration des performances
4.1.4.1 Principe de l’estimation par optimisation numérique
4.1.4.2 Application aux accumulateurs
a) Approche classique
b) Les approches alternatives
4.1.5 La nouvelle approche : estimation en deux étapes
4.1.6 Résultats expérimentaux
4.2 EXPLOITATION DE L’IMPEDANCE ELECTRIQUE POUR LE SUIVI DES INDICES D’ETAT
4.2.1 Cahier des charges pour le 51*
4.2.2 Cahier des charges pour le 51%
4.2.3 Etude de validité de la technique d’identification large bande pour le suivi du 51*
4.2.3.1 Signal d’excitation et calcul de la dispersion sur les mesures
4.2.3.2 Interprétation des résultats
4.2.4 Validité de la technique d’identification large bande pour le suivi du 51%
4.2.4.1 Essai de suivi du 51%
4.2.4.2 Interprétation des résultats
4.3 CONCLUSION
CONCLUSIONS
