Dimensionnement de la batterie du stockage mixte

Un élément essentiel qui influe sur le dimensionnement du stockage mixte est la capacité d’une batterie à stocker l’énergie en fonction de son état de charge. Dans le cas d’une batterie au plomb, il y a une telle limitation du courant en charge que l’assistance totale des supercondensateurs est fortement conseillée. Une faible assistance est caractérisée soit par une faible limitation de courant dans la batterie, soit par un petit pack de supercondensateurs. Pour mettre en évidence ces deux possibilités, nous montrons sur la Figure 107, l’énergie fournie par une batterie pleine pour différents packs de supercondensateurs (de 1,5F à 25F) et différents niveaux de limitation du courant.

Deux remarques importantes sont à faire. D’abord, en terme d’énergie consommée à la batterie, la valeur du pack SC a peu d’influence pour un courant maximum de batterie donnée. Par contre, la valeur du courant maximum dans la batterie a une très grande influence sur la consommation : 6MJ pour une forte limitation à comparer au 9 MJ pour une faible limitation.

Figure 107 : Energie fournie par la batterie pour un cycle de 20 min

La forte limitation en courant de charge d’une batterie au plomb influence également l’énergie récupérée et dissipée par les freins mécaniques. Sur la Figure 108, nous pouvons observer le couple de freinage mécanique pour deux états de charge donnés : si la batterie est pleine, la puissance de freinage (couple) est deux fois plus grande que dans le cas d’une batterie à moitié chargée. Au regard d’une journée entière, l’énergie dissipée dans les freins mécaniques est illustrée Figure 109 pour 2 packs de supercondensateurs différents (1,5F et 15F). Pour obtenir les courbes de la Figure 109, nous avons imposé un état de charge initial de la batterie à 100%. L’état de charge finale est d’environ 55%.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Courant de limitation de la batterie [A]

Energie totale fournie pour 1 cycle [MJ]

1,5F 15F 25F

129

Figure 108 : Conjugaison freins mécaniques et freinage électrique, pour différentes SoC de la batterie

Figure 109 : Energie dissipée par les freins mécaniques

La limitation du courant de recharge de la batterie a une très forte influence sur la consommation en énergie du véhicule sur une journée entière. Sur la Figure 110 nous présentons cette consommation et le scenario joué : la comparaison d’une BOM alimentée par la batterie seule et une BOM alimentée par un stockage mixte. L’état de charge initiale de chaque batterie est supposé à un SoC de 100%.

L’écart dans la consommation est très grand (+30% par cycle) en début de journée, lorsque la batterie est totalement chargée en début de journée, car elle n’accepte aucun courant de recharge.

Après environ 2h30’ la batterie atteint un état de charge d’environ 85% et elle commence à accepter des courants de recharge. A la fin de la journée, lorsque la batterie est à un état de charge d’environ 50%, elle accepte la totalité du courant provenant du freinage électrique. Moyennant sur une journée, l’énergie perdue par la BOM alimentée par la batterie seule est d’environ 17% (151MJ par rapport à 182MJ) ! Toute cette énergie perdue part dans les freins mécaniques. Si en début de

335 340 345 350 355-100

-75

335 340 345 350 355-100

-75

Energie dissipée par les freins par cycle de 20min [MJ]

SC 3F SC 6F SC 15F

CVS-Batt CVS-Batt

CVS-SC CVS-SC

130

stockent l’énergie), il est 100% mécanique pour le pack non-assisté. A la fin de la journée, le freinage est 100% électrique pour les deux types de packs.

En terme de capacité en Ah nécessaire au fonctionnement journalier décrit précédemment, cette différence de fonctionnement entraîne alors une surcapacité de 19,8% (76.7Ah par rapport à 94.4Ah) de la BOM alimentée par batterie seule par rapport à celle alimentée par un stockage mixte.

Un autre désavantage d’utilisation d’une batterie seule vient du fait que la batterie doit fournir de fortes demandes en courant (jusqu’à 150A) et doit subir des micro-cycles de charge-décharge lors des phases de freinage/accélération du véhicule.

Figure 110 : Comparatif entre un pack de batteries assistées et un pack de batteries seules (1 branche donc ½ pack)

Mais ces résultats sont différents dans un autre scenario. Imaginons la même comparaison des bennes mais que l’état de charge initial des batteries est de 80%. La fenêtre d’utilisation des batteries sera alors de 80% SoC à 30% SoC. La surconsommation sera alors beaucoup moindre, de 4.5% (151MJ par rapport à 158MJ). La surcapacité nécessaire diminuera elle aussi à 6.5% (78.2Ah par rapport à 83.6Ah) ! L’inconvénient d’une telle solution de décalage de la fenêtre de SoC est l’état de charge minimale, qui n’est pas recommandable par le constructeur pour des raisons de durée de vie.

Dans le cas d’utilisation du stockage mixte, l’état de charge initiale n’influe pas sur la consommation d’énergie. Les résultats sont résumés dans le tableau suivant :

Batterie seule Batterie assistée

Charge initiale 80% 100% 80% 100%

Energie [MJ] 158 182 151 151

Capacité [Ah] 83,6 94,4 78,2 76,7

Tableau 23 : Récapitulatif des énergies consommées pendant un cycle journalier

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Energie consommée pour un cycle de 20min (MJ)

Batteries assistées Batteries seules

EBatteries assistées

EBatteries seules

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Les considérations précédentes sur la surconsommation d’énergie et la surcapacité à installer sur une BOM alimentée à partir d’une batterie seule sont à la base du dimensionnement de la batterie du stockage mixte. En effet, nous pouvons modifier la batterie obtenue par la procédure de prédimensionnement décrite dans le chapitre 2.3.3 dans le sens de la diminution de la capacité à embarquer de 17%. Les deux manières de réduction de cette capacité sont résumées dans le tableau suivant, à la dernière ligne :

Les deux possibilités de diminution de la capacité de la batterie jouent sur le nombre des batteries et la capacité de chaque batterie :

 Soit en gardant le même type de batteries mais en réduisant leur nombre, ce qui se traduit par une augmentation du courant circulant dans les batteries (d’environ 20% car la réduction du nombre de batteries entraine une diminution de la tension de la batterie),

 Soit en gardant le même nombre de batterie mais en choisissant des batteries de capacité moindre et plus légères. Cette solution ne peut être envisagée dans notre cas, car dans la gamme Enersys, cette batterie n’existe pas.

Modèle Alimentation BOM Configuration

stockage stockage mixte – issue de la procédure

de prédimensionnement

Tableau 24 : Récapitulatif des différents prédimensionnements

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