Développement de méthodes d'évaluation de l'état de charge et de l'état de santé des batteries utilisées dans les systèmes photovoltaïques

par Arnaud Delaille

Thèse de doctorat en Électrochimie

Sous la direction de François Huet.

Soutenue en 2006

à Paris 6 .

mots clés

• Système photovoltaïque
• Stockage électrochimique
• Batterie plomb-acide
• Batterie, état de charge, méthodes d'évaluation
• Batterie, état de santé, méthodes d'évaluation

Résumé

Le stockage électrochimique constitue un élément indispensable au sein des systèmes photovoltaïques autonomes, en permettant notamment d'ajuster la production électrique, intermittente, à la demande. Si les batteries plomb-acide restent les batteries les plus utilisées au sein de ces systèmes, de par leur robustesse, leur disponibilité, et surtout leur faible coût lors de l'investissement, leur coût de possession élevé en font néanmoins l'un des éléments les plus coûteux de ces systèmes. Dans le but de contribuer au développement de l'énergie photovoltaïque, il est donc primordial de chercher à réduire les coûts relatifs au stockage. Les objectifs de cette thèse visent plus particulièrement au développement de méthodes d'évaluation de l'état de charge et de l'état de santé des batteries. L'amélioration de la gestion des batteries, qui passe inévitablement par la connaissance de ces deux paramètres, constitue en effet l'une des voies les plus prometteuses pour accroître la durée de vie des batteries, et réduire ainsi leur coût de possession. Par ailleurs, la mise en place d'indicateurs précis de l'état des batteries envers l'usager doit également permettre d'améliorer à la fois la fiabilité et la convivialité du système. Pour cela, trois voies de recherche ont été étudiées au cours de ce travail. La première est consacrée au développement d'une jauge de type ampère-heure métrique. La seconde est consacrée au suivi de paramètres mesurés par spectroscopie d'impédance, essentiellement en haute fréquence. Enfin, la dernière voie est consacrée à l'étude d'un phénomène connu sous le nom de "coup de fouet", relatif à la tension mesurée aux bornes des batteries plomb-acide.

Titre traduit

Development of new state-of-charge and state-of-health criteria for batteries used in photovoltaic systems

Résumé

The energy-storage is of major importance in stand alone photovoltaic (PV) systems, to adapt the energy need to its furniture. For that, the lead-acid battery (LAB) is the most often used technology because of its low investment cost, robustness, and maturity. However, its low service life compared with that of the other components of PV systems, and consequently its high life-cycle cost, makes the LAB a critical point of these systems. The evaluation of the state-of-charge (SOC) and state-of-health (SOH) of LABs appears then as a necessary step to increase their lifespan with an improved management, and finally to reduce the energy-storage cost. Unfortunately, this evaluation is an ambitious task with regard to the complexity of LABs. Three approaches are presented and discussed in this manuscript. The first one is based on the development of a novel ampere-hour algorithm. The second one consists in the measurement of impedance parameters, especially at high frequencies. Finally, the third one consists in the study of a phenomenon proper to LABs and known in the literature as the “coup de fouet”.