Système de stockage d'énergie hybride à régulation numérique

Posted By : Alice Matthews
Système de stockage d'énergie hybride à régulation numérique

En collaboration avec l'université ouest-saxonne de Zwickau, Rutronik a développé un système de stockage d'énergie hybride (SSEH). Grâce à la combinaison de la batterie et du supercondensateur, il améliore les propriétés de courant de pointe de l'accumulateur d'énergie, augmente considérablement la durée de vie de la batterie et s'ajuste à souhait grâce à la régulation numérique. Ainsi, il garantit une fiabilité maximale et un effort de développement minimal dans les applications les plus diverses.

Auteur : Andreas Mangler (figurant dans la photo), Director Strategic Marketing & Communications chez Rutronik

Avec ce projet, Rutronik visait à apporter la preuve qu'en pratique, n'importe quel système de batterie peut se combiner aux supercondensateurs. Cette association offre, en effet, une répartition utile des tâches : alors que la batterie fournit une énergie constante pour la puissance continue, le supercondensateur se charge des courants et tensions de pointe temporaires. Le courant de décharge de la batterie est limité à son courant nominal de sorte à ne jamais quitter sa plage de service optimale. Grâce à ce « mode de préservation », sa durée de vie augmente de jusqu'à 100 %. De plus, l'intérieur de la batterie chauffe moins voire pas du tout ce qui augmente encore la durée de vie.

Un bloc batterie-supercondensateur peut être chargé à tout moment, indépendamment du niveau de charge, sans que cela endommage les éléments de la batterie, et il fournit la pleine puissance pendant toute la durée d'utilisation. Même après plusieurs de mois de non-utilisation, le bloc batterie-supercondensateur est immédiatement prêt à l'emploi étant donné que les supercondensateurs présentent une autodécharge faible. Les supercondensateurs vides se rechargent entièrement en l'espace de quelques secondes. De plus, la conception est très robuste et peut même être utilisée à des températures en-dessous de 0 °C sans altérer les performances.

Cela signifie que la fiabilité du système augmente considérablement. Par conséquent, un tel système de stockage d'énergie hybride (SSEH) est également intéressant pour les applications exigeant une sécurité maximale, par exemple les dispositifs médicaux tels que les défibrillateurs. Cette structure est aussi utile pour les appareils en crédit-bail ou en location qui doivent fournir une durée d'utilisation garantie. Cela comprend toute sorte d'outils électriques, de la visseuse sans fil à la scie circulaire.

Les supercondensateurs : robustes et durables
Les caractéristiques des supercondensateurs le rendent possible : ils chargent et déchargent des quantités d'énergie très importantes en l'espace de quelques secondes. Avec dix ans et un minimum de 500 000 cycles de charge, leur durée de vie est beaucoup plus élevée que celle d'une batterie. Avec une plage de température de travail plus étendue comprise entre -40 et 70 °C, ils sont en outre nettement moins sensibles à la température que les batteries. Le seul défaut des supercondensateurs dont on pourrait arguer est leur densité énergétique relativement faible. Ces condensateurs à double couche marquent d'autant plus de points que leurs propriétés sont nettement supérieures en matière de décharge totale : si une batterie lithium-ion est dotée d'une profondeur de décharge (DOD) de 25 %, celle-ci se situe à 75 % pour le supercondensateur. Même si cette valeur n'est pas atteinte, il n'en résulte aucun dommage permanent comme sur une batterie, cela réduit seulement le nombre de ses cycles de charge.

Figure 1 : Comparaison supercondensateur / batterie

Afin de réunir les meilleures propriétés des deux accumulateurs d'énergie dans un seul système, la charge et les courants de la batterie et du supercondensateur doivent être mesurés et équilibrés par un convertisseur Buck-Boost hybride. La base de ceci est la définition des valeurs seuils pour les deux accumulateurs d'énergie en tenant compte de la courbe caractéristique respective : il existe déjà différentes topologies de base pour un système avec ce type de design, par ex. avec la batterie montée en parallèle et le supercondensateur ou avec un convertisseur bidirectionnel et le supercondensateur du côté primaire et la batterie du côté secondaire ou encore une combinaison d'un convertisseur unidirectionnel et d'un convertisseur bidirectionnel. Toutes les topologies ont en commun le fait d'être relativement complexes ce qui implique un effort de développement et des coûts élevés.

Averaging Concept (concept de pondération) avec un convertisseur Boost
Afin de réduire la complexité, les deux partenaires de recherche misent sur la topologie d'un convertisseur DC/DC unidirectionnel. Cela permet une structure de montage relativement compacte et efficace. De ce fait, le temps et les coûts de développement sont réduits, tout comme le nombre des composants nécessaires. Grâce à la solution numérique, le système est facilement et librement paramétrable à de nombreux niveaux.

Un autre avantage réside notamment dans le fait que la tension au niveau de l'onduleur puisse varier au sein d'une plage de tension définissable avec des limites très étendues. Au besoin, le supercondensateur peut aussi être couplé directement à l'onduleur de manière dynamique de sorte qu'il puisse se charger des courants de pointe. Le convertisseur DC/DC est uniquement limité par le fait qu'il doive fournir le courant de pointe via une diode régulée (MOSFET). Pour une adaptation optimale de la tension, la tension supérieure dans le circuit intermédiaire peut être dimensionnée avec un rapport de 2:1, c.-à-d. que la tension du supercondensateur est deux fois plus élevée que celle de la batterie. Ainsi, l'énergie du supercondensateur peut être exploitée de manière optimale ; un prélèvement d'énergie de jusqu'à 75 % est possible à 50 % de la tension.

Topologie du modèle de démonstration
Dans le cas des outils électriques sans fil haut de gamme, les fabricants ont des exigences particulièrement élevées à remplir en matière de garantie voire d'augmentation de la durée de vie des batteries. Ainsi découragé du côté de l'industrie, la base pour le modèle de démonstration à développer – un perceuse-visseuse sans fil – fut définie.

La topologie du modèle de démonstration est basée sur une structure Buck OR MOS Boost combinée, appliquée pour la première fois dans ce contexte, avec une gestion de la puissance implémentée de manière entièrement numérique, avec les réglages correspondants ainsi qu'avec des paramètres qui sont tous, sans exception, configurables par logiciel. Ainsi, le système de batterie à impédance plus haute a pu obtenir une performance à impédance plus basse. Le résultat :

  • une durée de vie plus longue de la batterie
  • une limitation du courant ajustable
  • d'excellentes propriétés pour le courant fort
  • une durée de vie et un état de santé (State-of-Health, SOH) de la batterie prévisibles

Outre les supercondensateurs et la batterie lithium-ion raccordée à une alimentation électrique primaire, le régulateur à découpage de puissance se trouve au cœur de la topologie. Il est complété par une logique de sens du courant ultra rapide qui intervient lorsque le flux d'énergie provenant du supercondensateur se met en marche. À cela s'ajoute une surveillance des signaux analogiques de courant et de tension des batteries lithium-ion et du supercondensateur de sorte que ces derniers puissent être conditionnés en vue d'une exploitation optimale de l'énergie. Les consignes pour les signaux sont définies via le microcontrôleur ; par conséquent, ce dernier génère les signaux MLI pour les MOSFET de puissance – ici d'Infineon – et donc pour l'alimentation électrique à découpage. Un commutateur spécial conduit le courant directement de la batterie lithium-ion au moteur si la circulation de courants de pointe n'est pas nécessaire. Dimensionné de manière adaptée, le supercondensateur peut être chargé via la batterie à tout moment pendant les périodes d'arrêt.

Figure 2 : Représentation simplifiée de la topologie

Technique de régulation L'élaboration des algorithmes de régulation correspondants a été réalisée par le professeur Lutz Zacharias (Dr ing.) en collaboration avec Ringo Lehmann (ing. dipl.) et Sven Slawinski (ing. dipl.), tous trois de l'université ouest-saxonne de Zwickau. Après une analyse complète du système ainsi qu'une synthèse de régulateur déterminée, accompagnées de recherches préalables relatives aux simulations, les algorithmes temporels discrets requis ont été implémentés de manière adaptée au matériel cible.

Lors de l'élaboration des logiciels de commande, des méthodes modernes de design logiciel basé sur des modèles ont été appliquées. Ainsi, toute la gestion de la puissance a été modélisée en VHDL-AMS. Ce langage de modélisation standardisé permet également de modéliser et de simuler des systèmes de régulation en ciblant directement le matériel de même que de les transférer de manière automatisée au matériel cible via autocodage.

Afin de toujours maintenir un état de fonctionnement fiable, un circuit logique supplémentaire ultra rapide est requis. Les exigences en matière de sécurité et de temps réel qui s'imposent à cet effet ne peuvent pas être remplies par des microprocesseurs, même s'ils sont rapides et offrent des performances élevées. Aussi, le problème a été résolu par l'investissement dans des composants matériels, par ex. dans l'application de comparateurs ultra rapides.

Concernant la modélisation et la simulation, le défi consistait à décrire et à représenter de manière extrêmement précise les propriétés réelles du régulateur, de la batterie, du supercondensateur et des étages de puissance.

Intelligent, rapide, abordable
Une autre simulation a révélé qu'un équilibrage des supercondensateurs n'aurait été employé que dans très peu de situations avec cette application et qu'il n'est donc pas utile. C'est notamment grâce à cela que la complexité du circuit se réduit – elle est affinée, elle devient abordable et intelligente à la fois.

Après la modélisation, le système a été simulé en intégralité et sa validité a été justifiée par des calculs mathématiques avant de l'adopter et de le réaliser.

Une fois le modèle de démonstration assemblé, ce dernier a été soumis à une analyse thermique. Le résultat : même sans élément de refroidissement, la température ne dépassait jamais 50 °C ce qui montre que les paramètres du matériel ainsi que les paramètres de régulation ont été définis de manière optimale de sorte à ne produire que des pertes de commutation minimales en pratique. Le fonctionnement limité à la plage de température de travail fiable, sans aucune contrainte thermique a en outre un effet positif sur la durée de vie du système. Cela est seulement possible grâce à la topologie Buck OR MOS Boost développée à cet effet.

Figure 3 : L'image thermique du modèle de démonstration montre un échauffement minimal des composants actifs à pleine charge. Le fonctionnement fiable de la visseuse sans fil a démontré que le système de stockage d'énergie hybride fonctionne également en pratique – et que l'objectif du projet de recherche a donc été atteint.

Figure 4 : Montage de mesure pratique avec le modèle de démonstration


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