Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Energie, Institut de génie électrique et électronique IEL (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Assistance énergétique à base de supercondensateurs pour véhicules à propulsion électrique et hybride

Destraz, Blaise ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2008 ; no 4083.

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    Summary
    So far in the Twenty-first century the field of people transportation has had numerous setbacks, of these some are related to air pollution and some to the rarefaction of petroleum sources. Studies have been undertaken within this domain for many years now. Hybrid vehicles in which the conventional energy source is kept and an on-board energy source is added are showing themselves to be a potentially good solution in the short term. In these hybrids the vehicle autonomy is assumed by the first energy source and the power constraints are taken upon by the second. Moreover, the storage element adds the possibility to recuperate the braking energy in an optimal way. During the last decade, an important development has come about in the field of energy storage elements. The supercapacitors newly appearing on the scene are power components well suited for an application in transportation domain: their lifetime is over 500,000 cycles and their power density (W/kg) is much higher than for batteries. The present work is concerned with air pollution and energy storage elements and presents the details of using a power assistance system for vehicles. In this case, the auxiliary power energy storage element is on board and is made of supercapacitors. The decreased energy consumption of the vehicle is directly dependant on the vehicle's type, the route driven and the size of the storage element within the vehicle. An optimal method of sizing the energy storage element is developed. An application of the principles is presented in three different categories of vehicle: a transportation network fed by catenaries, a diesel-electric vehicle and a light electrical vehicle. In all three cases, the size of the storage elements, the on-board energy control system and the reduction of the vehicle consumption are defined. Following the different methods developed here, it is possible to define the conditions for when a power assistance system can give a real decrease in the vehicle's energy consumption. When an on-board storage element is added in a vehicle, a static converter has to be used. Its main role is to adapt the voltage level between the storage element and the other vehicle propulsion equipment and to control the energy flow on board the vehicle. An interleaved mutichannel continuous-continuous converter operating in a discontinuous conduction mode is especially dedicated to mobile applications. This type of converter is lighter and smaller in volume, yet its efficiency is greater.
    Résumé
    Avec le XXIe siècle, le domaine des transports rencontre un certain nombre de problèmes, dont ceux de la raréfaction des ressources de pétrole et de la pollution de l'air. Depuis quelques dizaines d'années, des recherches sont faites dans ce domaine. Les véhicules de type hybride électrique ont un grand potentiel pour une solution à court terme. Ils conservent une source d'énergie conventionnelle, mais un stockeur d'énergie est ajouté à bord. Ainsi, l'autonomie du véhicule est assurée par la première source d'énergie et les contraintes en puissance instantanée élevée sont assurées par la seconde. En plus, le stockeur ajoute la possibilité de récupérer l'énergie de freinage de manière optimale. Au cours de cette dernière décennie, un développement très important a été fait dans le domaine du stockage de l'énergie. Les supercondensateurs sont apparus. Ce sont des composants de puissance adaptés pour une application dans le domaine des transports : leur durée de vie est de plus de 500 000 cycles alors que leur densité en puissance (W/kg) est beaucoup plus élevée que celle des batteries. Ce travail concerne les domaines de la pollution de l'air et du développement de nouveaux éléments stockeurs d'énergie. Il présente les propriétés liées à l'utilisation d'un système d'assistance en puissance pour véhicules. Dans ce cas, le stockeur d'énergie auxiliaire est embarqué et il est composé de supercondensateurs. Le gain sur la consommation énergétique du véhicule dépend directement de son type, du parcours et de la taille du stockeur d'énergie. Une méthode de dimensionnement optimale de la taille du stockeur d'énergie est développée. Une application dans plusieurs catégories de véhicules est présentée : un réseau de transport alimenté par caténaire, un véhicule diesel-électrique et un véhicule électrique léger. Pour tous ces cas, la taille du stockeur d'énergie, le système de gestion de l'énergie à bord et la baisse de consommation d'énergie primaire sont définis. Suite aux différentes méthodes développées, il est possible de définir les conditions pour lesquelles un système d'assistance en puissance apporte un réel gain sur la consommation énergétique. L'ajout d'un système de stockage d'énergie à bord d'un véhicule ne peut pas se faire sans l'ajout d'un convertisseur statique. Il est utilisé principalement pour adapter les niveaux de tension entre le stockeur et les autres équipements de propulsion du véhicule et pour assurer la gestion de l'énergie à bord. Un convertisseur continu-continu multicanaux entrelacés fonctionnant en mode de conduction discontinu est spécialement dédié aux applications mobiles. Le poids et le volume sont réduits par rapport à un convertisseur standard et le rendement est plus élevé.