Modélisation électrothermique, commande et dimensionnement d’un système de stockage d’énergie par supercondensateurs avec prise en compte de son vieillissement : application à la récupération de l’énergie de freinage d’un trolleybus

par Alaa Hijazi

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Eric Bideaux et de Pascal Venet.

Soutenue le 13-12-2010

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Bernard Multon.

Le jury était composé de Michaël Di Loreto, Guy Clerc, Gérard Rojat, Philippe Rey.

Les rapporteurs étaient Hamid Gualous, Philippe Chevrel.


  • Résumé

    Les travaux présentés dans cette thèse concernent la modélisation, le dimensionnement et la commande d'un coffre composé de supercondensateurs et d'un convertisseur DC/DC permettant d’alimenter les auxiliaires d’un trolleybus ou les moteurs de traction lors des coupures de la ligne aérienne. Dans la première partie, nous nous sommes intéressés au dimensionnement du système destockage pour une application du type récupération de l'énergie au freinage d'un trolleybus. Les modèles directes et inverses de la chaine cinématique ont été étudiés afin de définir une stratégie de dimensionnement du coffre s'appuyant sur le plan de Ragon. La seconde partie aborde la problématique de la fiabilité de l'élément de stockage. Le but est d'évaluer les contraintes que subissent les supercondensateurs en cours de fonctionnement et de prédire le vieillissement de ces derniers. Pour ce faire, nous avons développé et validé un modèle électrothermique du coffre de supercondensateurs. Ce modèle électrothermique a également été couplé à des lois de vieillissement permettant ainsi de prendre en compte les variations paramétriques majeures de ce système. Les résultats de ce couplage montrent l'impact de la dispersion des températures à l'intérieur du coffre sur la durée de vie de chaquesupercondensateur et du système de stockage. Finalement, le contrôle du convertisseur statique (hacheur Buck/Boost) associé auxsupercondensateurs est abordé. Une étude théorique a été menée pour synthétiser des lois de commande par mode de glissement et par PI appliqués au mode élévateur du hacheur (Boost). Ces lois de commande ont été validées sur un banc de test constitué d'un hacheur réversible, d'une alimentation DC, d'une charge résistive et de huit supercondensateurs. La comparaisondes résultats expérimentaux mettre en évidence l'intérêt de la commande par mode glissant enraison de sa robustesse et de sa réactivité par rapport à une commande classique (PI).

  • Titre traduit

    Electrothermal modeling, control and sizing of supercacitor’s energy storage system taking into account the ageing : application to the recovery of braking energy of electrical bus


  • Résumé

    The studies presented in this thesis concern the thermal modeling, sizing and control of a stack composed of supercapacitors and DC/DC converter that feeds the auxiliaries or traction motors of the trolleybus in the case of electrical microcuts. In the first part, we were interested in the sizing of the storage system for an application concerning the recovering braking energy of a trolleybus. Direct and inverse models of the kinematic chain were studied in order to define a design strategy based on the Ragon. The second part concerns the reliability of the storage system. The aim is to evaluate the stresses on supercapacitors during cycling and to predict the aging of the components. Toachieve this goal, we have developed and validated an electrothermal model of the stack. This model was then coupled to aging laws allowing taking into account the major parametric variation of the system. The results show the impact of the dispersion of temperatures inside the stack on the life time of each supercapacitors in the storage system. Finally, the control of the static converter (Buck/Boost converter) combined with supercapacitors is analyzed. A theoretical study was conducted to synthesize PI and sliding mode controller applied to a boost converter. This control laws has been validated on a test bench consisting of a reversible converter, a DC power supply, a resistive load and eight supercapacitors. The experimental results show the advantage of sliding mode control in terms of robustness and reactivity compared to a classical PI control.


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