Module 4 : Stockage d’énergie électrique

MOT/ELECBAT

Pour qui ?

  • Cette formation vise à spécifier les besoins et la performance des systèmes de stockage d’énergie électrique tout en intégrant les spécificités du monde automobile. Pour cela, le module permet de concevoir, modéliser, tester et simuler un pack de batterie.
Public :
  • Cette formation s’adresse aux ingénieurs et techniciens de conception ou d’essais, souhaitant spécifier, concevoir, développer, modéliser, simuler ou utiliser des systèmes de stockage d’énergie électrique dans le cadre de projets électriques et hybrides.

Niveau : Expertise

Programme

  • STOCKEURS D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

      • Notions d’électrochimie : couples acide-plomb, NiCd, NiMh et Lithium. Constitution d’une cellule et principe de fonctionnement.
      • État de l’art et benchmark des solutions automobile. Caractéristiques, performances et coût des différentes technologies.
      • Batterie électrochimique : principe de fonctionnement, caractéristiques et performances des différentes technologies. Performances, limitations et évolution des performances des batteries.
      • Synthèse des principaux besoins et des paramètres de spécification fonctionnelle d’un pack batterie selon l’architecture de la chaîne motrice automobile (micro, mild, full hybrid, PHEV, BEV).
      • Spécificités puissance et énergie des cellules selon les usages.
      • Évolutions du marché, sourcing, évolutions des technologies, notions de PRF, recyclabilité et seconde vie de la batterie.
      • Intégration dans le véhicule. Exemples d’utilisation et de dimensionnement dans les véhicules électriques et hybrides.
      • Autres technologie de stockage.
      • Supercondensateurs : principe, performances et limitation.
      • Applications : spécification des paramètres dimensionnant d’une batterie à partir d’un cahier des charges de traction automobile par modélisation et simulation. Étude de caractéristiques réelles.
  • GESTION DES BATTERIES

      • Définition des besoins fonctionnels d’un pack batterie.
      • Sûreté de fonctionnement des batteries et du pack batterie, définition d’une architecture sécure.
      • Algorithmes d’estimation du SOC et du SOH des batteries. Fonctionnement en décharge et en charge. Impact sur la chimie des batteries et leur durée de vie. Gestion thermique des batteries, en fonctionnement et en recharge. Gestion de la recharge lente et rapide. Essais de caractérisation des batteries.
      • Le BMS : Battery Management System. Le Hardware (matériel). Emplacement dans le pack batterie et son environnement. Configuration HW et architecture. Les fonctions et le Software (logiciel). Vue générale des fonctions. Signaux d’E/S, capteurs et actionneurs. Diagnostics et Protections batterie. Superviseur. Indicateurs d’Etats (SOC, SOH…). Gestion des Puissances. Gestion Thermique. Mesure de l’isolement. Équilibrage. Circuits d’équilibrage dissipatifs ou à transfert d’énergie. Règlements et Normes.
      • Application : étude d’un circuit de gestion de charge et de décharge d’une batterie Li-ion de type TPS65471 Single-Chip Power and Battery Management IC.
  • GESTION THERMIQUE DES BATTERIES

      • Généralités. Définitions. Modes de transferts thermiques  des systèmes de batterie: conduction, convection, rayonnement.
      • Gestion thermique d’une batterie haute tension de traction. Justification de la nécessité d’une gestion thermique poussée : performances à froid. Durée de vie.
      • Pertes thermiques : processus de génération de la chaleur. Résistance interne. Mode d’association des cellules. Exigences et contraintes : à l’échelle des cellules.
      • Cahier des charges thermique d’une batterie. Gestion thermique à l’échelle de la cellule, des modules et du pack Batterie. Gestion thermique d’une batterie haute tension de traction. Processus de conception
      • Architectures classiques de gestion thermique : analyse de quelques solutions constructeur. Différents circuits de refroidissement et de réchauffement.
      • Gestion thermique à l’échelle du GMP et du véhicule : matrice de choix de la solution de thermomanagement.
      • Exemple : gestion thermo-acoustique par air aspiré dans l’habitacle. Optimisation prestations véhicule/durée de vie batterie.
      • Gestion thermique batterie, véhicule à l’arrêt : impacts véhicule. Recharge plug-in.
  • CONCEPTION D’UN PACK BATTERIE

      • Décliner techniquement les besoins fonctionnels en terme d’architecture d’un pack batterie, à partir d’éléments standards Li-ion pour alimenter l’entraînement électrique qui a été réalisé tout au long du fil rouge de cette formation (applications des modules 1 à 3). Définir une forme optimisée de la cellule pour le besoin. Spécifier les besoins et les contraintes à partir des datasheet des cellules. Définir le besoin le nombre de modules et le nombre de cellules par module. Spécifier les connexion électriques séries et parallèle au niveau des cellules et/ou des modules. Réaliser une analyse fonctionnelle et dysfonctionnelle du pack, spécifier son architecture mécanique, thermique, électronique et BMS.
      • Application : conception d’un pack batterie pour alimenter l’entraînement électrique conçu au cours des modules 1 à 3.
      • Spécifier et réaliser l’architecture du pack.
      • Mettre en œuvre le pack, par le biais d’essais. Observer l’équilibrage des modules, l’évolution de la thermique, les courants et les tensions des modules et des cellules.
  • MESURES & ESSAIS DES BATTERIES

      • Bancs et essais types de caractérisation des batteries et des modèles de batterie.
      • Applications : conception des essais, mise en place des essais, de l’instrumentation et mesures.
      • Identification des caractéristiques d’une batterie : capacité, résistance interne, soc, soh, tension, courant, impédances équivalentes, impédance de diffusion. Identification d’un modèle électrique équivalent ou d’un modèle physique équivalent.
      • Algorithme d’estimation de l’état de charge d’une batterie.
      • Essais de cyclage : charge et de décharge d’une batterie pour estimation du vieillissement ou pour identification des paramètres de la batterie.
      • Utilisation du pack batterie défini dans le cours précédent pour réaliser les essais et compléter l’analyse du pack batterie.
  • PILES À COMBUSTIBLE

      • Principes de fonctionnement d’une pile à combustible, caractéristiques et performances des différentes technologies. Limitations et évolution des performances des piles.
      • Production d’hydrogène, stockage transport, distribution, rendement de la chaîne de production, impact CO2, technologies de réservoirs.
      • État de l’art et benchmark des solutions du marché des transports. Caractéristiques, performances et coût des différentes technologies.
      • Synthèse des principaux besoins et des paramètres de spécification fonctionnelle.
      • Évolutions du marché, sourcing, évolutions des technologies, notions de PRF, recyclabilité et seconde vie des piles à combustible.
      • Intégration dans le véhicule. Exemples d’utilisation et de dimensionnement dans les véhicules électriques.

Objectifs

  • Vous serez capable de :
  • dialoguer et négocier les éléments d’un cahier des charges et les compromis de conception,
  • expliquer le fonctionnement, modéliser et simuler les différents systèmes de stockage d’énergie électrique en y intégrant les aspects et les contraintes du système,
  • appliquer les besoins d’adaptation fonctionnelle à la traction automobile.

Pédagogie

  • Modélisation et simulation.
  • Manipulation de matériel.
  • Étude de cas d’un circuit de gestion de charge et de décharge d’une batterie Li-ion.
  • Activités pédagogiques.