Stratégies de gestion de l'énergie pour flotte de bus électriques à batterie.

par Hussein Basma

Projet de thèse en Energétique et Procédés

Sous la direction de Pascal Stabat, Michel Khoury et de Maroun Nemer.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) , CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 25-01-2018 .


  • Résumé

    La récente tendance mondiale à la transition vers la mobilité électrifiée présente de nombreuses opportunités en termes d'amélioration de la durabilité dans les transports, telles que l'amélioration de la qualité de l'air dans les zones urbaines et la réduction de la consommation de carburant. Cette transition est actuellement axée sur l'introduction de groupes motopropulseurs électrifiés, avec une récente montée en puissance des bus électriques urbains à zéro émission (BEB : bus électrique à batterie). Cependant, l'électrification des bus introduit ses propres défis à différents niveaux du système d'exploitation du bus, à savoir la technologie du groupe motopropulseur, l'infrastructure de recharge et les stratégies de gestion de la recharge. Au niveau de la technologie du groupe motopropulseur, l'autonomie des BEB est relativement plus réduite que celle des bus diesel conventionnels en raison de la limitation de l'énergie spécifique des batteries par rapport au diesel et à d'autres carburants alternatifs en général. De plus, l'utilisation d'auxiliaires de confort thermique sous les variations de température saisonnières a un impact considérable sur la réduction de l'autonomie électrique. Il est donc important d'évaluer les conditions de conduite réelles le long de la ligne de bus afin d'estimer avec précision la consommation énergétique réelle du bus, car ces conditions auront un impact sur la taille de la batterie nécessaire et la stratégie de recharge requise pour couvrir les besoins en énergie sur l'ensemble de la ligne. Au niveau de la connexion entre bus et infrastructure de recharge, des défis supplémentaires sont introduits en fonction des technologies et stratégies de recharge adoptées. D'une part, l'utilisation exclusive de systèmes de recharge lents au garage d'autobus (lorsque le bus est hors service) suppose l'utilisation d'une batterie de grande taille, capable d'assurer tous les besoins énergétiques du bus au cours du cycle de service journalier, jusqu'à l'arrêt suivant au garage. D'autre part, l'utilisation de systèmes de recharge rapides aux stations d'arrêt de bus présente la possibilité de réduire la taille de la batterie, étant donné les nombreuses opportunités d'alimentation en énergie le long du trajet. Cependant, cela se fait au détriment d'une infrastructure de recharge rapide complexe et coûteuse aux stations d'arrêt de bus. Il est alors nécessaire d'évaluer la faisabilité, la performance et les coûts des différentes infrastructures de recharge pour une ligne de bus particulière. Compte tenu de tout ce qui précède, il est nécessaire de développer des solutions personnalisées pour la taille de la batterie et la technologie de recharge en fonction du cycle de service quotidien du bus (personnalisation énergétique des BEB). De plus, le besoin systématique de recharger la batterie pendant le cycle de service journalier du bus a un impact sur la planification de la route, car les horaires de bus doivent être ajustés pour refléter le temps de recharge qui dépend de la stratégie de recharge choisie (recharge lente au garage, recharge rapide aux arrêts de bus ou une combinaison des deux stratégies). Ceci introduit des défis supplémentaires au niveau de la gestion du processus de recharge pour l'ensemble du parc de bus, afin de garantir que le processus soit globalement optimisé pour répondre efficacement aux besoins de l'ensemble de la flotte, par opposition à l'optimisation locale pour un itinéraire de bus particulier. Par conséquent, des modifications appropriées des horaires quotidiens de la flotte devraient être envisagées de manière à optimiser l'utilisation du processus de recharge tout en veillant à ce que le parc de bus continue de fonctionner sans arrêts non planifiés. Enfin, au niveau du réseau électrique, la consommation d'électricité augmentera en raison du déploiement à grande échelle des BEB. L'intégration de ces bus nécessitera une mise à niveau de la capacité et des moyens de distribution du réseau électrique, voire la recherche de systèmes électriques autonomes et innovants pour recharger rapidement les batteries dans les arrêts de bus. De plus, il y aura un déplacement des émissions du bus (tank-to-wheel) aux centrales électriques (well-to-tank), ce qui peut être considérable si le mix électrique repose sur des ressources pétrolières polluantes et non renouvelables. Tous ces défis seront abordés dans cette étude.

  • Titre traduit

    Energy management strategies for battery electric bus fleet.


  • Résumé

    The recent worldwide trend of transitioning to electrified mobility presents numerous opportunities in terms of enhancing sustainability in transportation, such as improving air quality in urban areas and reducing fuel consumption. This transition is currently focused on the introduction of electrified powertrains, with a recent surge in interest in zero-emission urban battery electric buses (BEB). However, bus electrification introduces its own challenges at different levels of the bus operating system, namely at the powertrain technology, charging infrastructure and charging management levels. At the powertrain technology level, the driving range of BEB is relatively shorter than conventional diesel buses due to the limited battery specific energy compared to diesel and other alternative fuels. Moreover, the use of thermal comfort auxiliaries under the varying seasonal temperatures has a drastic impact on further reducing the electric-driving range. It is therefore important to assess the real driving conditions along the bus route in order to accurately estimate the real energy consumption of the bus, since these conditions will impact the size of the battery needed and the charging strategy required to cover the energy needs along the entire bus route. At the level of the bus-charging infrastructure connection, additional challenges are introduced depending on the adopted charging technologies and strategies. On the one hand, relying exclusively on the use of slow chargers at the bus garage (when the bus is out of service) infers the use of a large size battery, capable of covering all the energy needs of the bus over the daily duty cycle, until the next stop at the garage. On the other hand, the use of fast chargers at the bus stop charging stations presents the potential of reducing the size of the battery, given the several energy feed-in opportunities along the trip. However, this comes at the expense of a costly and complex fast charging infrastructure at the bus stop stations. There is then a need to evaluate the feasibility, performance and costs of different charging infrastructures for a particular bus route. Considering all of the above, it is necessary to develop customized solutions for the battery size and charging technology according to the bus daily duty cycle (energy customization of BEB). In addition, the systematic need for battery charging during the daily duty cycle of the bus presents an impact on route scheduling, as the bus schedule needs to be adjusted to reflect the charging time, which depends on the chosen charging strategy (slow charging at bus garage, fast charging at bus stops or a combination of both strategies). This introduces additional challenges at the level of management of the charging process for the entire bus fleet, so as to ensure the process is globally optimized to meet the needs of the entire fleet efficiently, as opposed to local optimization for a particular bus route. Therefore, appropriate modifications to the daily fleet schedules should be considered in a way to make optimal use of the charging process while ensuring that the bus fleet continues to operate without any unplanned stops. Finally, at the level of the electricity-grid, there will be added electricity consumption as a result of the large-scale deployment of BEB. The integration of these buses will require upgrading the capacity and distribution capabilities of the electricity network, or even looking for innovative stand-alone power systems at the bus stations for fast charging the batteries. Second, there will be a shift of emissions from the bus (the tank-to- wheel level) to the power plant (the well-to- tank level), which can be significant if the electricity mix relies on polluting, non-renewable oil resources.All these challenges are dealt with in this study.