N° d’ordre Année 2010 THESE DE L‘UNIVERSITE DE LYON Délivrée par L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1 ECOLE DOCTORALE ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE DE LYON DIPLOME DE DOCTORAT (arrêté du 7 août 2006) soutenue publiquement le 13/12/2010 par Alaa HIJAZI TITRE : 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 Directeurs de thèse : Eric Bideaux Professeur des Universités - Insa de Lyon Pascal Venet Professeur des Universités - Université Lyon 1 Rapporteurs : Hamid Gualous Professeur des Universités - Université de Caen Philippe Chevrel Professeur des Universités - Ecole des Mines de Nantes Examinateurs : Bernard Multon Professeur des Universités - ENS Cachan Michael Di Loreto Maitre de Conférences - Insa de Lyon Xavier Roboam Directeur de Recherche - CNRS-Laplace Membres invités : Guy Clerc Professeur des Universités - Université Lyon 1 Gérard Rojat Professeur émérite - Université Lyon 1 Philippe REY Responsable projet Hybus - Irisbus Iveco 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 de stockage 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 chaque supercondensateur et du système de stockage. Finalement, le contrôle du convertisseur statique (hacheur Buck/Boost) associé aux supercondensateurs 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 comparaison des résultats expérimentaux mettre en évidence l'intérêt de la commande par mode glissant en raison de sa robustesse et de sa réactivité par rapport à une commande classique (PI). Abstract : 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. To achieve 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. 2 Remerciements Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du laboratoire AMPERE, entre deux groupes de recherche : "Fiabilité, Diagnostic et Supervision" et "Automatique, commande et mécatronique". Je tiens tout d'abord à exprimer ma reconnaissance profonde aux Messieurs Eric Bideaux et Pascal Venet qui ont dirigés mes travaux. Je les remercie pour leurs qualités humaines et scientifiques, pour leurs précieux conseils, leurs soutiens enthousiastes, leurs disponibilités sans faille. Je les remercie de m'appris le métier de chercheur. Je tiens à exprimer mes plus vifs remerciements à Messieurs Gérard Rojat, Guy Clerc, et Michael Di Loreto pour le soutien infaillible qu'ils m'ont apporté, pour leurs précieux conseils professionnels et pédagogiques et leur apport scientifique. Je remercie Monsieur Bernard Multon pour l’honneur qu’il m’a fait de présider le jury. Je remercie les deux rapporteurs, Monsieur Hamid Gualous et Monsieur Philipe Chevrel, pour l’attention qu’ils ont accordée à la lecture de mon mémoire. Je remercie Monsieur Xavier Roboam et Monsieur Philipe Rey d'avoir accepté de siéger dans le jury et pour l'intérêt qu'ils ont porté à ce travail. Je n'oublie pas de remercier tous les membres du laboratoire pour leur aide et leur sympathie. Merci à mes amis pour l’affectueuse amitié dont ils ont toujours fait preuve. Je pense particulièrement à mes amis : Ali, Bouba, Ghada, Hassan, Hadi, Imad, Kamal, Rana, Saher et Wael. Un merci tout particulier à mes chers cousins Maya et Abdallah (Dziękuję moim kuzynem aboud!) pour leur présence, leur soutien, pour toutes nos discussions et pour les crises de rire ou de nerfs que j'ai partagées avec eux. Enfin, je me permets d'adresser ce remerciement à ma très chère famille à qui je dédie ce travail. Merci à mes parents qui m'ont toujours soutenu et m'ont accompagné, tout au long de ce chemin, malgré la distance géographique, afin que j'arrive à ce jour là dans les meilleurs conditions. Merci à mon frère Fadi et sa femme Ola, mes sœurs Zeinab et Bouthayna et à mes beaux frères Khaled et Bassam, ainsi qu'à mes neveux (Ali , Zeinab et Hadi), pour leur amour et leur soutien constant. 3 Sommaire   Introduction générale..............................................................................................................................8  Chapitre 1 : Généralités.........................................................................................................................14  1.1 Introduction.................................................................................................................................15  1.2 Supercondensateur : Principe, technologie et modélisation électrique.....................................16  1.2.1 Présentation.........................................................................................................................16  1.2.2 Principe physique.................................................................................................................16  1.2.3 Modélisation électrique du supercondensateur..................................................................18  1.2.3.1 Méthodes de caractérisation........................................................................................18  1.2.3.2 Modélisation du supercondensateur............................................................................19  1.3 Apport des supercondensateurs dans le domaine du transport................................................21  1.4 Application du supercondensateur dans le domaine de transport............................................22  1.4.1 Véhicule électrique...............................................................................................................22  1.4.2 Véhicule microhybride.........................................................................................................24  1.4.3 Véhicule hybride...................................................................................................................24  1.4.3.1 Véhicule hybride série...................................................................................................25  1.4.3.2 Véhicule hybride parallèle.............................................................................................26  1.4.3.3 Véhicule à distribution de puissance.............................................................................27  1.4.4 Discussion sur l'apport des supercondensateurs par rapport à ces différentes architectures .......................................................................................................................................................27  1.5 Présentation du projet Hybus : récupération de l’énergie au freinage d'un bus électrique......28  1.5.1 Introduction..........................................................................................................................28  1.5.2 Objectifs...............................................................................................................................29  1.5.3 Présentation du coffre de supercondensateurs...................................................................32  1.6 Conclusion...................................................................................................................................33  Chapitre 2 : Dimensionnement du système de stockage d’énergie pour une application de type  récupération de l’énergie de freinage d’un trolleybus.........................................................................34  2.1 Introduction.................................................................................................................................35  2.2 Méthodologie de dimensionnement............................................................................................35  2.3 Méthodologie adoptée : approche bond graph (BG)..................................................................37  2.3.1 Notions de base....................................................................................................................37  2.3.2 Éléments du langage bond graph.........................................................................................38  2.3.3 Principe de causalité conventionnelle..................................................................................39  2.3.4 Principe de bicausalité..........................................................................................................42  4 2.3.5 Inversion et dimensionnement............................................................................................44  2.3.5.1 Notions utiles à l'inversion de modèles BG...................................................................44  2.3.5.2 Analyse des propriétés structurelle : conditions d'inversibilité d'un modèle bond graph ...................................................................................................................................................45  2.3.5.3 Procédure SCAPI............................................................................................................47  2.3.5.4 Dimensionnement par système inverse........................................................................48  2.4 Modélisation de la chaine cinématique du trolleybus................................................................52  2.4.1 Présentation de la chaine cinématique................................................................................52  2.4.2 Modèle direct.......................................................................................................................53  2.4.3 Validation du modèle direct.................................................................................................59  2.4.4 Modèle inverse.....................................................................................................................61  2.5 Dimensionnement de l’élément de stockage d’énergie.............................................................63  2.5.1 Modélisation de l’élément de stockage...............................................................................63  2.5.2 Méthode adoptée pour le dimensionnement......................................................................64  2.5.3 Nombre de supercondensateurs demandés pour un profil de bus et de microcoupures  donné............................................................................................................................................68  2.6 Conclusion...................................................................................................................................71  Chapitre 3 : Modélisation électrothermique du banc de supercondensateurs........................................73  3.1 Introduction.................................................................................................................................73  3.2 Etat de l’art..................................................................................................................................74  3.2.1 Mécanismes de transfert de chaleur....................................................................................74  3.2.1.1 Conduction....................................................................................................................75  3.2.1.2 Convection.....................................................................................................................76  3.2.1.3 Radiation.......................................................................................................................78  3.2.1.4 Transfert de chaleur par transfert de masse.................................................................78  3.2.2 Exposé des différents modèles thermiques existants..........................................................79  3.2.2.1 Méthodes exactes.........................................................................................................79  3.2.2.2 Méthode numérique.....................................................................................................80  3.2.3 Etat de l’art de la modélisation thermique dans le domaine du stockage par  supercondensateur.......................................................................................................................81  3.2.4 Principe retenu pour la modélisation thermique.................................................................85  3.3 Modèle thermique d’un seul supercondensateur......................................................................86  3.3.1 Introduction..........................................................................................................................86  3.3.2 Paramètres thermiques........................................................................................................87  3.3.2.1 Procédure d’identification.............................................................................................87  5 3.3.2.2 Identification des pertes Joule......................................................................................89  3.3.2.3 Identification des paramètres.......................................................................................91  3.4 Modélisation thermique du coffre..............................................................................................92  3.4.1 Introduction..........................................................................................................................92  3.4.2 Discrétisation du système en volume fini............................................................................93  3.4.3 Paramétrisation du modèle thermique................................................................................97  3.4.3.1 Conduction....................................................................................................................97  3.4.3.2 Convection.....................................................................................................................97  3.4.3.3 Transfert de matière...................................................................................................101  3.4.4 Mise en équation matricielle du modèle thermique.........................................................103  3.4.5 Validation expérimentale du modèle thermique...............................................................106  3.4.5.1 Banc de test.................................................................................................................106  3.4.5.2 Analyse des résultats...................................................................................................110  3.4.5.3 Analyse de sensibilité et d’incertitude........................................................................113  3.4.6 Durée de vie du coffre........................................................................................................116  3.4.6.1 Approche adoptée : couplage des modèles électrothermique avec une loi de  vieillissement...........................................................................................................................116  3.4.6.2 Modélisation électrique et loi de vieillissement.........................................................117  3.4.6.3 Loi de vieillissement....................................................................................................118  3.4.6.4 Simulation électrothermique du coffre tenant compte du vieillissement des  supercondensateurs................................................................................................................119  3.4.7 Etude du management thermique du coffre.....................................................................121  3.4.7.1 Introduction.................................................................................................................121  3.4.7.2 Management thermique tenant compte des incertitudes.........................................122  3.5 Conclusion.................................................................................................................................123  Chapitre 4 : Comparaison des stratégies de commande du coffre de supercondensateurs..................124  4.1 Introduction...............................................................................................................................125  4.2 Commande par mode de glissement (SMC)..............................................................................125  4.2.1 Introduction............................................................................................................................125  4.2.2. Principe..............................................................................................................................126  4.2.3 Description du système en régime glissant........................................................................127  4.2.3.1 Condition d’attractivité...............................................................................................127  4.2.3.2 Condition d’existence du glissement..........................................................................128  4.2.3.3 Condition de stabilité..................................................................................................128  4.2.3.4 Phénomène de réticence............................................................................................129  6 4.2.4 État de l'art de l'application de la commande par mode glissant dans le domaine de  l'électronique de puissance.........................................................................................................129  4.2.5 Notre apport dans le contexte du contrôle du convertisseur Boost..................................131  4.3 Présentation de la maquette expérimentale............................................................................131  4.4 Synthèse des lois de commande pour un hacheur élévateur...................................................134  4.4.1 Modèle du convertisseur Boost.........................................................................................134  4.4.2 Commande par mode de glissement.................................................................................134  4.4.2.1 Choix de la surface de glissement...............................................................................134  4.4.2.2 Condition d’attractivité...............................................................................................136  4.4.2.3 Condition d’existence du régime glissant...................................................................136  4.4.2.4 Condition de stabilité..................................................................................................137  4.4.2.5 Influence des valeurs de gains du contrôleur sur les performances...........................139  4.4.2.6 Valeurs des gains.........................................................................................................142  4.4.3 Commande par PI...............................................................................................................143  4.4.3.1 Modèle linéaire du hacheur........................................................................................143  4.4.3.2 Synthèse des paramètres du correcteur.....................................................................145  4.4 Résultats obtenus et comparaison des lois de commande.......................................................147  4.4.1 Résultats de simulation......................................................................................................147  4.4.2 Résultats expérimentaux....................................................................................................149  4.5 Améliorations possibles de la commande par mode de glissement.........................................153  4.5.1 Erreur statique....................................................................................................................153  4.5.2 Fréquence variable.............................................................................................................153  4.5.3 Observation du courant de charge et de la tension aux bornes des supercondensateurs153  4.6 Conclusion.................................................................................................................................154  Conclusion générale............................................................................................................................155                7 Introduction générale            8 En raison de l'augmentation de la population mondiale, la circulation des marchandises et la mobilité des voyageurs ne cessent d'augmenter. La croissance attendue du transport terrestre dans le monde entier et notamment dans les pays émergents, conduira à une augmentation très rapide de la consommation de carburant et par conséquent à l'accélération de la pollution de l'environnement. Simultanément, les ressources énergétiques fossiles s’épuisent. Selon le taux de croissance de la population mondiale et l'évolution prévisible du marché automobile, les ressources connues de pétrole mondiales, qui pourront être exploitées au coût actuel, seraient selon certaines études, épuisées dans 30 à 45 ans. Tout ceci place le secteur des transports au premier plan dans la consommation d’énergie et des émissions de polluants chimiques. L’impact des émissions des gaz à effet de serre sur le climat a conduit à l'ouverture d'une recherche sur de nouvelles architectures de véhicules, électriques ou hybrides, traduisant la volonté de minimiser la consommation des énergies fossiles et les émissions de polluants. Le problème le plus important rencontré dans la démarche d'électrification des systèmes embarqués, comme les véhicules, demeure le stockage de l'énergie électrique. Le développement technologique et la maîtrise de fabrication de nouveaux matériaux ont permis la réalisation de systèmes modernes de stockage d'énergie électrique comme les supercondensateurs. Du point de vue des performances énergétiques, ces derniers se positionnent entre la batterie et le condensateur. Ce composant permet de stocker une énergie bien plus grande qu’un condensateur classique ainsi que de fournir une puissance plus importante qu’une batterie. Ces éléments répondent donc aux applications faisant appel à des puissances élevées sur des temps courts.   Sur le segment du transport collectif urbain et en particulier les bus, ce type de composant présente plusieurs avantages : - les supercondensateurs permettent d’améliorer le rendement énergétique des bus et trolleybus en permettant la récupération de l’énergie du freinage qui est relativement importante en raison de l'énergie cinétique des ces véhicules. - l’application des principes d’hybridation aux bus urbains permet de réduire la consommation et de satisfaire les exigences des politiques d’urbanisme et de transport. 9 Dans ce contexte, cette thèse étudie différents aspects liés à un coffre de supercondensateurs pilotés par une électronique de puissance pour le stockage tampon de l'énergie électrique récupérée lors du freinage. Ce coffre a pour fonction d’alimenter tous les auxiliaires d’un trolleybus lors des coupures de la ligne aérienne. En effet, l'alimentation d’un trolleybus en circulation est régulièrement coupée, soit lors d’un changement de tronçon, soit lors d’un croisement avec aiguillage ou encore en cas d’obligation pour le véhicule de quitter sa voie pour éviter un obstacle. Pour plusieurs dispositifs dans les trolleybus, ces coupures sont critiques. C’est le cas par exemple de la climatisation, qui ne peut pas toujours être réamorcée directement après une coupure. De plus, les sollicitations fortes qu'engendrent les redémarrages sur le réseau réduisent la durée de vie des équipements. L'implémentation d'une source auxiliaire d'énergie dans le trolleybus entre donc dans un contexte de l'amélioration de la fiabilité du système, mais aussi dans un contexte écologique par la récupération de l'énergie de freinage. Problématique de l'étude  La conception d’un véhicule exploitant des supercondensateurs afin d’assurer l’alimentation en énergie des servitudes ou le cas échéant la traction malgré les coupures intermittentes de l’alimentation extérieure pose le problème de l'efficacité, de la rentabilité et de la durée de vie du système. L’étude de rentabilité nécessite entre autre, de connaître, pour une mission donnée, le nombre de supercondensateurs à mettre en place. Il est clair qu'un système avec un trop grand nombre de supercondensateurs ne sera pas viable en termes de coûts d'investissement. Dans un contexte de transport public, les contraintes en termes de puissances à fournir ou bien à stocker par le système de stockage sont sévères. L’étude de la fiabilité et de la durée de vie du système de stockage est donc à considérer. Enfin une fois implémenté sur le trolleybus, le système de stockage doit pouvoir répondre à des appels de puissance rapides et brusques. Ceci met en évidence le besoin d'une commande adaptée ayant des performances dynamiques acceptables afin de réguler au mieux le réseau de puissance malgré les perturbations mais aussi de garantir une récupération optimale de l'énergie de freinage. Partant de ce constat, le travail de thèse s'articule autour de trois problématiques : le dimensionnement, la durée de vie et la commande du système de stockage. 10