Transcript Laboratoire Ampère Amélioration de la fiabilité des systèmes de

Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Amélioration de la fiabilité des systèmes de stockage de l’énergie
électrique multicellulaire par circuits d’équilibrage reconfigurables
Laboratoire :
Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal :
Automatique, Energie, Modélisation
Domaine scientifique secondaire :
stockage de l’énergie
Modélisation par Graphe de liens, automatique discrète,
Mots clés (5 max) : Contrôle-commande, Diagnostic et sûreté de fonctionnement, Automatique des
systèmes à événements discrets, Circuit d’équilibrage, Systèmes de stockage d’énergie.
Directeurs de thèse et comité d’encadrement
Directeur de thèse
NIEL Eric – [email protected]
Comité d’encadrement
PIETRAC Laurent – [email protected]
BOUTLEUX Emmanuel – [email protected]
VENET Pascal – [email protected]
Départements concernés
- Méthodes pour l’ingénierie des systèmes
Groupes concernés
- Fiabilité, Diagnostic et Supervision
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs
Contexte Scientifique (5 lignes max)
La maîtrise de l’énergie constitue l’un des principaux défis de notre ère. En effet, la déplétion des
sources fossiles et minières, confortée par une prise de conscience environnementale croissante,
porte les problématiques liées à l’énergie au cœur des préoccupations. L’utilisation avec une
disponibilité maximale des systèmes de stockage de l’énergie électrique aussi bien dans les
véhicules électriques et hybrides que dans les installations stationnaires est complètement concernée
par ce sujet. Ce dernier permet par ailleurs d’aborder des problématiques de l’automatique discrète
associées avec des problématiques propres au génie électrique (SSEE)
Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max)
L’utilisation de Systèmes de Stockage de l’Energie Electrique (SSEE) tels que les batteries ou les
supercondensateurs nécessite la mise en série de plusieurs éléments (ou cellules) puisque leur
tension individuelle est faible (de l’ordre de quelques volts). De même, des éléments peuvent aussi
être placés en parallèle pour augmenter le courant délivré par les SSEE.
Compte tenu de la dispersion des paramètres liés à la tolérance de fabrication des cellules, de la
température et du vieillissement de chaque cellule, la mise en série des composants nécessite des
circuits d'équilibrage dans le but d'égaliser les tensions aux bornes de chaque élément. Ce système
d’équilibrage peut également jouer un rôle de protection et de reconfiguration d’architecture. Bien que
les systèmes d’équilibrage permettent une certaine homogénéisation du vieillissement des différentes
cellules, une disponibilité maximale des SSEE n’est pas assurée. Pour pallier à cette diminution
d’efficacité localisée de la structure maillée qui engendre le raccourcissement de la fiabilité du SSEE,
l’idée est d’utiliser les dispositifs de reconfiguration qui permettraient d’alléger voir de supprimer les
sollicitations sur les cellules diminuées.
L’étude principale à mener lors de ce stage consiste à utiliser des interrupteurs pour l'équilibrage des
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Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
cellules qui permettre également d’intégrer des degrés de liberté pour la reconfiguration du maillage
cellulaire afin d’améliorer la disponibilité du SSEE.
Le comportement du système pouvant être décrit par une succession d'événements (ouverture et
fermeture d’interrupteurs), l’utilisation de méthode d’automatique discrète est nécessaire pour
modéliser les changements de configuration du système. Cette modélisation discrète devra être
couplée avec la modélisation de la fiabilité du système dans chaque configuration afin d'obtenir un
modèle d'évolution de cette fiabilité dépendant du scénario de changement de configuration. Le but
est de permettre la détermination des scénarios maximisant la disponibilité du système.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max)
Modélisation
L’estimation de l’état de charge (SOC pour State Of Charge) et de l’état de santé (SOH pour State Of
Health) des éléments de stockage nécessite la modélisation de ces derniers. Un modèle
intermédiaire comportemental d’un système de stockage d’énergie prenant en compte les éléments
précédemment cités, afin d’être représentatif du système étudié et dans l’optique d’accroitre sa durée
d’exploitation, devra donc être élaboré en s’appuyant sur des travaux antécédents effectués au
laboratoire.
.
Contrôle, Commande
Le développement d’une loi de gestion discrète des circuits d’équilibrage est envisagé dans le but
d’accroitre la durée d’exploitation des systèmes actuels en s’appuyant sur l’estimation de leurs SOC
et de leurs SOH dans l’environnement de fonctionnement par l’intermédiaire de méthodologie de
reconfiguration et d’exploitation optimal. Etant donnée la dispersion des caractéristiques
environnementales (température, durée d’exploitation, dispersion des caractéristiques due à la
production, …), la gestion individualisée de chaque constituant du système exploité est nécessaire.
Profil du candidat recherché (prérequis) : Bonnes connaissances en Automatique des systèmes
discrets et en électronique de puissance
Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max)
Durant la thèse, le candidat développera des compétences multiples : en automatique à évènements
discrets, en contrôle commande et sur les systèmes de stockage d’énergie. L’ensemble de ces
domaines permettront donc au candidat d’envisager aisément une poursuite post thèse dans le
domaine de la recherche appliquée.
Bibliographie sur le sujet de thèse
[1] Christos G. Cassandras, Stéphane Lafortune, “Introduction to Discrete Event Systems”,
Springer-Verlag, 2007.
[2] Mohamed Daowd, Noshin Omar, Peter Van Den Bossche, Joeri Van Mierlo, “Passive and Active
Battery Balancing comparison based on MATLAB Simulation”, VPPC 2011.
[3] Stephen W. Moore, Peter J. Schneider, “A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion
and Lithium Polymer Battery Systems”, Society of Automotive Engineers, 2001-01-0959.
[4] Thomas A. Stuart1, Wei Zhu, “Modularized battery management for large lithium ion cells”,
Journal of Power Sources 196 (2011) 458–464.
[5] Bruno Baynat, “Theorie des files d'attente : des chaînes de Markov aux réseaux à forme
produit”, Hermes Science Europe, 2000, 326 p.