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« Dimensionnement et lois de gestion de différentes

technologies de stockage »

CEA | 10 AVRIL 2012

Arnaud DELAILLE | CEA

arnaud.delaille@cea.fr

Séminaire ASPROM « Stockage d’énergie : quelles technologies ? Pour quelles applications ? Pour quand ? » – 03/112/2013

SOMMAIRE

| PAGE 2A.Delaille – 03/112/2013

• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS

• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion

• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC

• Conclusions

SOMMAIRE

| PAGE 3

• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS

• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion

• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC

• Conclusions

L’INES ET LE CEA

| PAGE 4

� Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA-LITEN)

� Centre National de la Recherche Scientifique

� Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

� Université de Savoie

= + + +

LE CEA-LITEN ET LE STCOKAGE BATTERIES

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Laboratoire de caractérisation et développement de matériaux pour batteries Li-ion

Laboratoire de conception et de prototypage d’éléments Li-ion

Laboratoire de caractérisations et développement d’algorithmes de gestion de toutes batteries

Laboratoire de conception et intégration de packs batteries Li-ion

Laboratoire de conception de lignes d’assemblage de packs batteries

CEA-INES

CEA-Grenoble

PARMI LES OBJECTIFS DU LABORATOIRE SUR INES

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Quelle technologie / référence de batteries pour telle ou telle application ?

PARMI LES OBJECTIFS DU LABORATOIRE SUR INES

| PAGE 7

Quelle technologie / référence de batteries pour telle ou telle application ?

Quel dimensionnement / quelle gestion optimale pour la batterie retenue ?

Profils d’usagePerformances instantanées

Performances en endurance

SOMMAIRE

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• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS

• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion

• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC

• Conclusions

BATTERY MANAGEM ENT SYSTEM (BMS)

Principaux objectifs d’un BMS

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Assurer la sécurité (non négociable !)

Garantir les performances initiales

(autonomies, puissances, rendements, …)

Garantir les performances en endurance

(cyclage / calendaire, coût d’usage…)

Apporter de l’information

(estimateurs SOX � utilisateurs et/ou EMS…)

Nécessité du BMS au travers de l’actualité récente

| PAGE 10

Assurer la sécurité :

exemple du problème rencontré par plusieurs Boeing Dreamliner en 2013

http://my.pressindex.com/View.aspx

Effet délétère sur la confiance des marchés !

BATTERY MANAGEM ENT SYSTEM (BMS)

Lois de gestion à différentes échelles de temps

| PAGE 11

ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS)

Tps réel (sec.) Ajustement (heures) Prévision (jours) Prévision (mois)

Lois de gestion à différentes échelles de temps

| PAGE 12

ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS)

Tps réel (sec.) Ajustement (heures) Prévision (jours) Prévision (mois)

Différents algorithmes de gestion reposant sur :

- des modèles batteries de performances instantanées- des modèles batteries de performances en endurance- des modèles des autres composants systèmes (production PV, tarif réseau, …)

Nécessité de l’EMS au travers de l’actualité récente

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Garantir les performances en endurance :

exemple du problème rencontré par Nissan en 2013

ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS)

Un collectif d’utilisateurs a intenté un procès en Californie contre Nissan suite à une perte d’autonomie de l’ordre de 30% après un à deux ans d’utilisation,contre une perte annoncée par Nissan de 20% après cinq ans d'utilisation.

(cas d’un usage à des températures extrêmes de l'Arizona / Californie...)

http://www.voitureelectrique.net/nissan-leaf-action-collective-sur-la-batterie-aux-etats-unis-4316

Effet délétère sur la confiance des marchés !

SOMMAIRE

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• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS

• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemples d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion

• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC

• Conclusions

PERFORMANCES INITIALES DES BATTERIES

Comparaison inter-technologies

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J. M. Tarascon and M. Armand, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.,” Nature, vol. 414, no. 6861, pp. 359–67, Nov. 2001.

PERFORMANCES INITIALES DES BATTERIES

Comparaison inter-technologies Li-ion

| PAGE 16Données mesurées au CEA sur un panel de plus de 50 réf érences Li-ion

À l’échelle cellule, à C/2 et 25°C

Résultats CEA

Parameters Values

Performances

P charge nominale 15-80%

SOC10 kW

Nominal energy 100 kWh

Voltage outputAC voltage 400 VAC

DC voltage range 36VDC - 62VDC

EfficiencyRound trip DC

efficiency70-80%

Self dischargeWithin cells 0.07 kW

Within tank Not significant

Mass and size

Size (mm) 4500*2200*2403

Empty mass 3500 kg

Mass with electrolyte

10300 kg

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM

Spécifications du constructeur

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Parameters Values

Performances

P charge nominale 15-80%

SOC10 kW

Nominal energy 100 kWh

Voltage outputAC voltage 400 VAC

DC voltage range 36VDC - 62VDC

EfficiencyRound trip DC

efficiency70-80%

Self dischargeWithin cells 0.07 kW

Within tank Not significant

Mass and size

Size (mm) 4500*2200*2403

Empty mass 3500 kg

Mass with electrolyte

10300 kg

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM

Spécifications du constructeur

Les spécifications constructeur ne sont pas assez précises pour assurer

un dimensionnement optimal…

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Rendement de 70-80% ?

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM

Performances mesurées au CEA-INES

10kW ?

Puissance disponible en charge / décharge

En charge

En décharge

Rendement en charge / décharge

En déchargeEn charge

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Résultats CEA Résultats CEA

Rendement de 75% ?

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM

Performances mesurées au CEA-INES

10kW ?

Puissance disponible en charge / décharge

En charge

En décharge

Rendement en charge / décharge

En déchargeEn charge

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

0.17

EffCap

TR

I

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

TRI

Capacity( kWh) Efficiency

Ces performances réelles ont une incidence direct sur la rentabilité du système…

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Résultats CEA

EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION

Spécifications du constructeur

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EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION

Capacité disponible

Performances mesurées au CEA-INES

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EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION

Capacité disponible

Puissance requise pour l’application selon le dimensionnement initial

Performances mesurées au CEA-INES

Puissance disponible

0 10 20 30 40 50-10Température (°C)

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EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION

Impact de la tension basse de coupure sur la capaci té disponible

Performances mesurées au CEA-INES

Aide au dimensionnement / choix des critères de gestion| PAGE 24

Résultats CEA

Résultats CEA

SOMMAIRE

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• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS

• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion

• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC

• Conclusions

PERFORMANCES EN ENDURANCE

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En cyclage(= mode conduite d’un véhciule)

En calendaire (= mode parking d’un véhicule)

Vieillissement des accumulateurs Li-ion

PERFORMANCES EN ENDURANCE

Vieillissement des accumulateurs Li-ion

| PAGE 27Données mesurées au CEA

En cyclage En calendaire

Résultats CEA

Résultats CEA

EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE

Vieillissement calendaire

Développement de modèles semi-empiriques

0 100 200 300 400 500 600 700 80030

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Storage time (days)

SO

H (%

)

T25_SOC30T25_SOC65T25_SOC100

0 100 200 300 400 500 600 700 80030

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Storage time (days)

SO

H (%

)

T60_SOC30T60_SOC65T60_SOC100

| PAGE 28

Etude de l’influence de T et SOC de stockage sur la durée de vie

Cas d’étude de simulation : température ambiante de 3 villes américaines

40

0 100 200 3005

10

15

20

25

<Tamb

>

San Francisco, CA

time / days

Am

bia

nt te

mp

era

ture

/°C

0 100 200 3000

10

20

30

40

50

<Tamb

>

Phoenix, AZ

time / days0 100 200 300

15

20

25

30

35

40

<Tamb

>

Miami, FL

time / days

time / days

• Profils annuels de température• Données issues de la base de l’American National

Climatic Data Center• Chaque point est une moyenne sur 30 ans (1981-2010)• 1 point / heur

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EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE

Etude de l’influence de T et SOC de stockage sur la durée de vie

Cas d’étude de simulation : gestion thermique et/ou du SOC haut

« Thermal management » « SOC management »

Strategy #1 No (T=Tamb) No (SOC=100%)

Strategy #2 No (T=Tamb) Yes (SOC=80%)

Strategy #3 Yes (T≤30°C) No (SOC=100%)

Strategy #4 Yes (T≤30°C) Yes (SOC=80%)

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EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE

Etude de l’influence de T et SOC de stockage sur la durée de vie

1 2 30

2

4

6

8

10

12

San Francisco Phoenix Miami

Ca

pa

city

loss

@ 5

yea

rs/%

LiFeBATT 15 Ah

T = Tamb

, 100%

T = Tamb

, 80%

Tmax

=30°C, 100%

Tmax

=30°C, 80%

1 2 30

2

4

6

8

10

12

14

16

San Francisco Phoenix Miami

Ca

pa

city

loss

@ 5

yea

rs/%

Kokam 12 Ah

T = Tamb, 100%

T = Tamb, 80%

Tmax

=30°C, 100%

Tmax

=30°C, 80%

No management

SOC management

T management

SOC and T manag.

No management

SOC management

T management

SOC and T manag.

• Le vieillissement calendaire est naturellement très dépendant de la température (et donc ici de la localisation)

• Meilleur bénéfice de la gestion thermique sur la gestion du SOC sur l’élément A• Inverse sur l’élément B

� les lois de gestion doivent être spécifiques aux éléments…

Elément A Elément B

Résultats de simulation : pertes irréversibles aprè s 5 ans de stockage

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EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE

Résultats CEA Résultats CEA

EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D’USAGE

Etude de l’influence de la gamme de SOC sur la durée de vie

Utilisateur #3 :

1 aller/retour – 1 recharge, entre 60% et 20% de SOC

Utilisateur #1 :

1 aller/retour – 1 recharge, entre 100% et 60% de SOC

Utilisateur #2 :

2 allers/retours – 1 recharge, entre 100% et 20% de SOC

On considère 3 utilisateurs de VE faisant le même trajet quotidien domicile-travail, 30km aller - 30km retour, avec 3 modes d’utilisation différents

| PAGE 32

Etude de l’influence de la gamme de SOC sur la durée de vie

Ces 3 profils ont été appliqués sur des éléments Li-ion, à raison de 2 éléments par profil, à 45°C

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EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D’USAGE

Etude expérimentale

Etude de l’influence de la gamme de SOC sur la durée de vieRésultats expérimentaux

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EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D’USAGE

Résultats CEA

SOMMAIRE

| PAGE 35

• Introduction• L’INES et le CEA, les laboratoires stockages du CEA-LITEN• Les objectifs des BMS et des EMS

• Performances instantanées et dimensionnement• Benchmark• Exemple d’une batterie Redox et d’un élément Li-ion

• Performances en endurance et lois de gestion• Benchmark• Exemple d’une gestion du SOC / T et de la gamme de SOC

• Conclusions

CONCLUSIONS

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• Une diversité d’offres batteries de plus en plus vaste qui accompagne de nouveaux marchés en plein essor

� besoin d’outils d’aide à la sélection de la « bonne » batterie pour chaque application

CONCLUSIONS

| PAGE 37

• Une diversité d’offres batteries de plus en plus vaste qui accompagne de nouveaux marchés en plein essor

� besoin d’outils d’aide à la sélection de la « bonne » batterie pour chaque application

• Des systèmes de stockage dont la rentabilité est à démontrer pour ces nouveaux marchés

� besoin d’outils d’aide au dimensionnement et à la gestion optimale, très prometteurs pour assurer cette rentabilité

CONCLUSIONS

| PAGE 38

• Une diversité d’offres batteries de plus en plus vaste qui accompagne de nouveaux marchés en plein essor

� besoin d’outils d’aide à la sélection de la « bonne » batterie pour chaque application

• Des systèmes de stockage dont la rentabilité est à démontrer pour ces nouveaux marchés

� besoin d’outils d’aide au dimensionnement et à la gestion optimale, très prometteurs pour assurer cette rentabilité

• Pour ces deux points, les spécifications des constructeurs ne suffisent pas

� besoin de caractériser et de modéliser les performances instantanées et en endurance des batteries

OCTOBER, 30TH, 2013

Merci de votre attention !

arnaud.delaille@cea.fr