«Dimensionnement et lois de gestion de différentes technologies de stockage» Arnaud DELAILLE CEA arnaud.delaille@cea.fr

«Dimensionnement et lois de gestion de différentes technologies de stockage» Arnaud DELAILLE CEA arnaud.delaille@cea.fr Séminaire ASPROM «Stockage d énergie : quelles technologies CEA 10 AVRIL? Pour 2012 quelles applications? Pour quand?» 03/112/2013

SOMMAIRE 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 A.Delaille 03/112/2013 PAGE 2

SOMMAIRE 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 PAGE 3

L INES ET LE CEA = + + + 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 PAGE 4

LE CEA-LITEN ET LE STCOKAGE BATTERIES Laboratoire de caractérisation et développement de matériaux pour batteries Li-ion CEA-INES CEA-Grenoble 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 PAGE 5

PARMI LES OBJECTIFS DU LABORATOIRE SUR INES Quelle technologie / référence de batteries pour telle ou telle application? PAGE 6

PARMI LES OBJECTIFS DU LABORATOIRE SUR INES Quelle technologie / référence de batteries pour telle ou telle application? Quel dimensionnement / quelle gestion optimale pour la batterie retenue? Profils d usage Performances instantanées Performances en endurance PAGE 7

SOMMAIRE 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 PAGE 8

BATTERY MANAGEMENT SYSTEM (BMS) Principaux objectifs d un BMS 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 ) PAGE 9

BATTERY MANAGEMENT SYSTEM (BMS) Nécessité du BMS au travers de l actualité récente 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! PAGE 10

ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS) Lois de gestion à différentes échelles de temps Tps réel (sec.) Ajustement (heures) Prévision (jours) Prévision (mois) PAGE 11

ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS) Lois de gestion à différentes échelles de temps 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, ) PAGE 12

ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (EMS) Nécessité de l EMS au travers de l actualité récente Garantir les performances en endurance : exemple du problème rencontré par Nissan en 2013 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-surla-batterie-aux-etats-unis-4316 Effet délétère sur la confiance des marchés! PAGE 13

SOMMAIRE 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 PAGE 14

PERFORMANCES INITIALES DES BATTERIES Comparaison inter-technologies J. M. Tarascon and M. Armand, Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries., Nature, vol. 414, no. 6861, pp. 359 67, Nov. 2001. PAGE 15

PERFORMANCES INITIALES DES BATTERIES Comparaison inter-technologies Li-ion Résultats CEA Données mesurées au CEA sur un panel de plus de 50 références Li-ion À l échelle cellule, à C/2 et 25 C PAGE 16

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM Spécifications du constructeur Performances Voltage output Efficiency Self discharge Parameters P charge nominale 15-80% SOC Nominal energy AC voltage DC voltage range Round trip DC efficiency Within cells Within tank Values 10 kw 100 kwh 400 V AC 36V DC - 62V DC 70-80% 0.07 kw Not significant Size (mm) 4500*2200*2403 Mass and size Empty mass Mass with electrolyte 3500 kg 10300 kg PAGE 17

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM Spécifications du constructeur Parameters Values Performances P charge nominale 15-80% SOC 10 kw Nominal energy 100 kwh Voltage output Efficiency AC voltage DC voltage range Round trip DC efficiency 400 V AC 36V DC - 62V DC 70-80% Les spécifications constructeur ne sont pas assez précises pour assurer un dimensionnement optimal Self discharge Within cells Within tank 0.07 kw Not significant Size (mm) 4500*2200*2403 Mass and size Empty mass Mass with electrolyte 3500 kg 10300 kg PAGE 18

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM Performances mesurées au CEA-INES Puissance disponible en charge / décharge Rendement en charge / décharge En décharge Résultats CEA En charge En décharge Résultats CEA En charge 10kW? Rendement de 70-80%? PAGE 19

EXEMPLE 1 : BATTERIE REDOX VANADIUM Performances mesurées au CEA-INES Puissance disponible en charge / décharge Rendement en charge / décharge En décharge Ces performances réelles ont une incidence direct sur la rentabilité du système 10kW? En charge TRI TRI 0.17 En charge 0.16 0.15 Résultats CEA 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 0.08 1400 1200 1000 800 600 En décharge Rendement de 75%? 0.75 0.6 0.65 0.7 0.8 0.85 0.9 0.95 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 Capacity( kwh) Cap 400 200 0.5 0.55 Efficiency 0.08 PAGE 20

EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION Spécifications du constructeur PAGE 21

EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION Performances mesurées au CEA-INES Capacité disponible PAGE 22

EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION Performances mesurées au CEA-INES Capacité disponible Puissance disponible Puissance requise pour l application selon le dimensionnement initial -10 0 10 20 30 40 50 Température ( C) PAGE 23

EXEMPLE 2 : ELEMENT LI-ION Performances mesurées au CEA-INES Impact de la tension basse de coupure sur la capacité disponible Résultats CEA Résultats CEA Aide au dimensionnement / choix des critères de gestion PAGE 24

SOMMAIRE 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 PAGE 25

PERFORMANCES EN ENDURANCE Vieillissement des accumulateurs Li-ion En cyclage (= mode conduite d un véhciule) En calendaire (= mode parking d un véhicule) PAGE 26

PERFORMANCES EN ENDURANCE Vieillissement des accumulateurs Li-ion En cyclage En calendaire Résultats CEA Résultats CEA Données mesurées au CEA PAGE 27

EXEMPLE 1 : IMPACT DE T ET DU SOC DE STOCKAGE Vieillissement calendaire Développement de modèles semi-empiriques 80 75 70 T25_SOC30 T25_SOC65 T25_SOC100 65 SOH (%) 80 75 70 65 60 55 50 SOH (%) 60 55 50 45 40 35 T60_SOC30 T60_SOC65 T60_SOC100 30 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Storage time (days) 45 40 35 30 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Storage time (days) PAGE 28

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 : température ambiante de 3 villes américaines Ambiant temperature / C 25 20 15 10 San Francisco, CA <T amb > 5 0 100 200 300 40 time / days 50 40 30 20 10 Phoenix, AZ <T amb > 0 0 100 200 300 time / days 40 35 30 25 20 Miami, FL <T amb > time / days 15 0 100 200 300 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 PAGE 29

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%) PAGE 30

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 Résultats de simulation : pertes irréversibles après 5 ans de stockage Capacity loss @ 5 years/% 12 10 8 6 4 2 0 No T = management T amb, 100% SOC T = Tmanagement amb, 80% T management max =30 C, 100% SOC T max =30 C, and T 80% manag. Résultats CEA San Francisco Phoenix Miami 1 2 3 Elément A LiFeBATT 15 Ah Capacity loss @ 5 years/% 16 14 12 10 8 6 4 2 0 No T = management T amb, 100% Kokam 12 Ah SOC T = T amb management, 80% T max management =30 C, 100% SOC T max =30 C, and T 80% manag. Résultats CEA San Francisco Phoenix Miami 1 2 3 Elément B 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 PAGE 31

EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D USAGE Etude de l influence de la gamme de SOC sur la durée de vie On considère 3 utilisateurs de VE faisant le même trajet quotidien domicile-travail, 30km aller - 30km retour, avec 3 modes d utilisation différents 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 Utilisateur #3 : 1 aller/retour 1 recharge, entre 60% et 20% de SOC PAGE 32

EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D USAGE Etude de l influence de la gamme de SOC sur la durée de vie Etude expérimentale Ces 3 profils ont été appliqués sur des éléments Li-ion, à raison de 2 éléments par profil, à 45 C PAGE 33

EXEMPLE 2 : IMPACT DE LA GAMME DE SOC D USAGE Etude de l influence de la gamme de SOC sur la durée de vie Résultats expérimentaux Résultats CEA PAGE 34

SOMMAIRE 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 PAGE 35

CONCLUSIONS 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 PAGE 36

CONCLUSIONS 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 PAGE 37

CONCLUSIONS 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 PAGE 38

Merci de votre attention! arnaud.delaille@cea.fr OCTOBER, 30TH, 2013