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Laboratoire
d’Electrotechnique
et d’Electronique
Industrielle
Groupe
SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan,
Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Séminaire Energie Décentralisée du GDR ME2MS
Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage
R. SAISSET, C. TURPIN, S. ASTIER
Laboratoire
d’Electrotechnique
et d’Electronique
Industrielle
Groupe
SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan,
Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
I- Fonction stockage dans les systèmes de conversion d’énergie
II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation
III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études
IV- Conclusion et bonus
Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage
Plan de l’exposé
Laboratoire
d’Electrotechnique
et d’Electronique
Industrielle
Groupe
SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan,
Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
La génération décentralisée d’électricité et le stockage :
un problème crucial pour de nombreux systèmes autonomes
Plusieurs aspects :- autonomie- puissance- jauge d’énergie- durée de vie
Energie massique
Puissance massique1 10
30
5
50
100
0,1
1000
kW/kg
Wh/kg
Li-ion
NI-MH
Ni-Cd
Pb-Ac
Super-condensateurs
Roued’inertie
PAC
Pile à combustibleEssence :10 000 Wh/kg
Hydrogène :30 000 Wh/kg
Plan de Ragone
Des propriétés « temporelles »
différentes
Quelle disponibilité de l’énergie électrique au regard de la mission ?
Des performances fortement
dépendantes de l’utilisation
A évaluer dans le système completEx : jauge systémique
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Véhicules multi sources hybrides
GroupeElectrogène
Stockage(Batterie + …)
MoteursElectriques
Dynamiquevéhicule
Rendements puits-roue :• thermique : 15 %• électrique pur : 21%• hybride : 26 %
Découplage gestion d’énergie
• Moteur thermique + alternateur
• Turbine à gaz + alternateur
• Pile à combustible
• Générateur photovoltaïque
Système : complémentarité judicieuse des organes
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Structure générale d’un véhicule hybride
Dynamique du véhicule
Nœud mécanique
Réservoirs d’énergie
mécanique
Moteur thermique
Nœud électrique
Réservoirs d’énergie électrique
Réservoirs d’énergie chimique
Générateur électriquestatique ou tournant
Pile à combustible
Générateur photovoltaïque
Alternateur
Moteur électrique
Soleil
Un système complexe, à concevoir en fonction des missions
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
I- Fonction stockage dans les systèmes
II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation
III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études
IV- Conclusion et bonus
Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage
Plan de l’exposé
Laboratoire
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
H2 02
anode cathode
membrane échange de proton
H2 en excès
chaleur (90°C)
H20 (vapeur), O2 excès
plaques unipolaires séparateur
plaque plane électrode négative
(Pb)
plaque plane électrode positive
(PbO2)
chaleur de réaction (basse température)
électrolyte (acide H2SO4)
nécessite une recharge (8 à 10h)
vers l’utilisateur (fonctionnement en décharge)
collecteur
séparateur
collecteurélectrode imprégnée d’électrolyte
Pile à combustible PEM
Accumulateur acide/plomb
ions Li+e-
matériau d’insertion
[H]
électrolyte conducteur
de Li+
matériau d’insertion
[H’]
Supercondensateur Accumulateur Li ions
Des composants électrochimiquesaux caractères communs
Cellules électrochimiques: deux électrodes imprégnées d’un électrolyte
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Communauté des phénomènes physico-chimiques
réactions d ’oxydo-réduction • activation (cinétique des réactions)• diffusion •pertes ohmiques• effet double couche
oxydoréduction**
Accumulateur Pile à combustible
double couche* +
oxydoréduction**
Supercondensateur électrochimique
Supercondensateur électrostatique
phénomènes physiques
majoritaires
phénomènes physiques
minoritaires
double couche*oxydoréduction*** = effets électrostatiques
**= effets faradiques
double couche*
e-H+H+
H+
H+
H+
H+H+
H+H+
H+
H+
H+e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e- e- e-
e-
e-
H+
électrolyte
électrode
Des composants électrochimiquesaux caractères communs
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Des composants électrochimiques variésaux propriétés différentes pour le système
Les accumulateurs
Les supercondensateurs
Les piles métal air
Energie dans la structuresans modification
Energie et puissance massique et volumique couplées
Fem E0 Energie dans la structure
Energie dans la structure et l’environnementFem E0
Modification structurelle sauf pour Li-Ion (insertion)
Consommation matière électrode
Réversible en puissance
reversible
irreversible
Les piles à combustible
Les accumulateurs redox flow
Découplage énergie (volume réservoir) - puissance (surface)
Energie en réservoirsréversible
irréversible
Hybridations possibles
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Un exemple : pile à combustible
H2 + 1/2 O2 H2O + chaleur + électricité
H2 O2
H+
-
CathodeAnode
+Ra Rc
RelRact,a
Rconc,c Ract,cRconc,a
VCVA Cact,
c
Cact,a
Ca,c
Charge électrique
Electrolyte Membrane
Fn
pTGE
....),,(Une fem qui dépend
de la réaction chimique
Loi de Butler-Volmer
Circuit électriqueéquivalent non linéaire
Développement d’une représentation unifiéebasée sur la représentation des échanges et conversions d’énergie
en Bond Graph
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La réaction chimique caractérisée par H0
laisse une énergie libreà T et P Constants G0 = H0 - T S0
G0 transférée à n F électrons
Fn
GE
00 E0 quelques volts (4V maxi)
De même valeur qu’au niveau microscopique
Mise en série, modularité, gestion des déséquilibres, des modèles adaptés, des convertisseurs adaptés
Couplages électrochimiques
Chaleur
Un potentiel thermodynamique exploité dans les Bond Graph électrochimiques
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Correspondance dans tous les domaines
Effort (e) Flux (f)Electricité Tension (V) Courant (A)
Mécanique Force (N) Vitesse (m/s)Rotation Couple (N.m) Vitesse angulaire (Rd/s)
Hydraulique Pression (N/m²) Débit (m3/s)Thermique Température (K) Flux d’entropie
Chimie Energie libre (J/mol) Débit molaire (mol/s)
Echanges d’énergies, interactions
Composant 1 Composant 2
Causalité
f (flux)
e (effort) Représentation d’un lien
Modélisation en Bond-Graph
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Connexion Valeurs constantes équations1 flux Somme(ei)=00 effort Somme(fi)=0
Symbole Composants équations sans causalitéR : r Résistance, frottement e-rf=0I : i Inductance, inertie e-idf/dt=0
C : c Capacité f-cde/dt=0GY Gyrateur,MCC e1=rf2, e2=rf1TF Transformateur e1=ne2, f2=nf1Se Source d'effort e=constante
Mse Source d'effort contrôlée e=e(entrée)Sf Source de flux f=constante
MSf Source de flux contrôlée f=f(entrée)
Briques élémentaires d’un Bond Graph
Causalité
Filtre RLC :
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Capacité de double couche
Surtension activation cathodique
Electrolyte
AnodeCathode
Loi de Butler-Volmer
FemVers domaine
chimique
Modèle de PAC domaine électrique
H+
CathodeAnode
Ra Rc
RelRact,aRconc,c Ract,cRconc,a
VCVA Cac
t,c
Cact,a
Ca,c
Electrolyte Membrane
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accumulateur au Li Ion
Passage du domaine chimique au domaine
électrique
Sortie vers la charge
Surtension d’activation
Résistance de l’électrolyte
nF
1
oEoGJi I
nF
GE
oo
nF
IJi
GJiIE
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Accumulateur Li IonCycle de Charge Décharge
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
Temps en min
Ten
sio
n e
n v
olt
expérimentation
simulation
L’effet ohmique
Les surtensions
La relaxation de l’ion Li+ dans l’électrodeet l’électrolyte
Un cycle de décharge et chargesimulation et expérience
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
I- Fonction stockage dans les systèmes
II- Composants électrochimiques, propriétés, modélisation
III- Groupe Electrogène à PAC et stockage : quelques études
IV- Conclusion et bonus
Gestion d’énergie dans un système électrique avec stockage
Plan de l’exposé
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Pe
Psto, Wsto, Pertes
Ps
Le stockage d’énergie : une fonction essentielle des systèmes
Pe = Ps + Psto + Pertes
Degré de liberté énergétique : découplagede Ps et Pe sur un horizon de temps T0 qui dépend
des qualités du stockage et de sa capacité énergétique
0
0)(
tt dtPertesPstoWsto
Energie stockée
Nœud de confluence des puissances électriques
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MOYENS EXPERIMENTAUX DISPONIBLES au LEEI
• une PAC PEM (20 cellules ; membranes en Nafion ;
Pn = 200W ; Vn = 15V ; Imax = 25A) et son banc de test
• un banc de 6 supercondensateurs 2600F
(Vcharge = 15V ; Imax = 500A) avec son système d’équilibrage
• 6 accumulateurs Li-Ions de puissance (Vcharge = 19.2V ; Imax = 100A)
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Etude d’un groupe électrogène à pile à combustible
PAC OnduleurSurvolteur
HacheurHG
Une étude générique pour de nombreux systèmes Evaluation des architectures en fonction des missions
avec différents types stockages et d.d.l.
Utilisation
HacheurHS
Eléments destockage
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Point instable
Courant
Tension
Puissance
Vpac
Ipac
Pcharge
Hacheur BOOSTDC/DC
Charge
+
-
Fonctionnement de la pile à combustible
« au fil de la consommation »
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Dispositif de stockage idéal à tension réglable indépendante de Wsto
Courant
Tension
Vpac
Ipac
Elément destockage
Charge
+
-
DC/DC
Bus continu contrôlé en tension
ChargePile à combustible
Source de courant
Fonctionnement de la pile à combustible à tension imposée
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Courant
Tension
Vpac
Ipac
Elément destockage
Charge
+
-
DC/DC
Bus contrôlé en courant
Charge
Pile à combustible
Source de tension
Fonctionnement de la pile à combustible à courant imposé
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PAC
Elémentsde
stockage
OnduleurSurvolteur
Structure d’un groupe électrogène à stockage direct
L’élément de stockage est :
• soit un accumulateur
• soit un supercondensateur
Couplage direct PAC-Stockage
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Courant [A]
Tension [V]
V1
V2
I1 I2
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7
Temps [s]
Pu
issa
nce
[W
] E
ner
gie
[J]
Puissance moyenne de la pile à combustibleEnergie du supercondensateur
On observe une limitation naturelle de la charge de l’élément de stockage
L’élément de stockage permet de répondre à un fort appel de courant et impose le point de fonctionnement de la pile à combustible
Couplage direct PAC-Stockage
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Avantages :
• Pas convertisseur intermédiaire • Pas de gestion de l’énergie par la commande • L’élément de stockage fournit les pics de puissance en sortie
Inconvénients :
• La tension du bus continu dépend du courant, donc de la puissance de sortie.• Pas de gestion de l’énergie par la commande. La gestion se fait lors du dimensionnement des composants. Le groupe électrogène est difficilement polyvalent.• Risque de destruction de la PAC si l’élément de stockage se décharge trop• Problème au démarrage des supercondensateurs, pas de précharge à courant limité.
Couplage direct PAC-Stockage
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PACOnduleurSurvolteur
HacheurSurvolteur
Eléments destockage
Stockage associé à un hacheur piloté en courant de sortie (bus)
Le hacheur pilote directement le régime de charge ou de décharge du stockage de façon que la pile fournisse la puissance moyenne
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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PAC
Hacheur dévolteurrégulé en courant
Supercondensateur
Onduleur Survolteur +Charge
IonduleurIpac
Iondul ation
Mesurede Ionduleur
Filtrage passe haut
Mesure du courantdans le hacheur
Correcteur PI ComparateurConsigne
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Fonctionnement de la pile à courant imposé
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et d’Electronique
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12
Temps [s]
Co
ura
nt
[A]
Courant onduleur
Courant filtre actif
Courant pile
Impact de charge
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Avantages:
• Tension de bus fixée par la pile quel que soit l’état de charge du stockage mais dépend de son point de fonctionnement.•On peut recharger l‘élément de stockage grâce à la pile à combustible ou par un retour d’énergie de la source.•On maîtrise les échanges d’énergie en réalisant une régulation en courant
Inconvénients:
• Hacheur dimensionné pour toute la puissance de l’élément de stockage.• Si la tension de pile est trop faible : fort coefficient de survoltage de l’onduleur BOOST.• L’onduleur survolteur qui fixe le courant de la pile : danger, il faut un filtrage du courant très performant, car l’onduleur monophasé demande une puissance fluctuante (composante du courant à 100Hz) très important.
Fonctionnement de la pile à courant imposé
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
PAC OnduleurSurvolteur
HacheurSurvolteur
Eléments destockage
Fonctionnement de la pile à tension imposéeStockage associé à un hacheur piloté en tension de sortie (bus)
La pile fournit la puissance moyenne demandée par la charge grâce à une régulation cascade de puissance assurant :
<P_entrée> = <P_sortie>
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
1LrefI
meseV
LV +-
mesLI
-+ PI
cV
1
LrefI
mesoI
crefVpacP cI
mescV sortieP
PI-
+-
+ PI+
+Ve
Vc
moyenV
++
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Régulation en puissance avec apparition des pertes à 3.2s
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Temps [s]
Pu
issa
nce
[W
]
0
20
40
60
80
100
120
En
erg
ie [
J]
Puissance pile
Puissance sortie
Energie supercapacité
Avec cette simple gestion, l’élément de stockage se décharge en raison des pertes internes au stockage qu’il faut compenser.
Prise en compte des pertes
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
pacP
SupercapaV
PI
2
21
SupercapaCV
refE -+
crefV
sortieP
PI-
+
Régulation d'énergie de la supercapacité
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Temps [s]
Pu
iss
an
ce
[W
]
0
20
40
60
80
100
120
En
erg
ie s
up
erc
ap
ac
ité
[J
]
Puissance pile
Puissance sortie
Energie supercapacité
On compense les pertes afin de contrôler la charge de l’élément de stockage.
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Avantages :
• La tension de bus est quasiment fixe grâce au hacheur.• Bonne gestion de l’énergie de stockage. On arrive à utiliser 92% de l’énergie• Pour l’onduleur la tension de bus est fixe pour une puissance donnée.
Inconvénients :
• Supercapacités : il faut les précharger en utilisant le hacheur en dévolteur contrôlé en courant. • Ce problème ne se pose pas pour les accumulateurs.• Pas de contrôle du courant dans la pile, pas de protection en cas de décharge trop profonde des éléments de stockage.• Les pertes dans l’onduleur dues à un fort coefficient de survoltage peuvent être importantes, si l’on veut une tension de sortie de 127V• La gestion de l’énergie est un peu complexe.
Fonctionnement de la pile à tension imposée
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015
temps en s
Co
ura
nt
en
A
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Te
ns
ion
[V
]
courant pile
courant batterie
courant charge
tension
Essais avec batterie au plombfonctionnement contrôlé à tension
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-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0,002 0,00205 0,0021 0,00215 0,0022 0,00225
temps en s
Co
ura
nt
en
A
0
2
4
6
8
10
12
14
Te
ns
ion
[V
]
Courant pile
Courant accumulateur
Couarnt charge
Tension
Essais avec batterie au plombfonctionnement contrôlé à tension
Laboratoire
d’Electrotechnique
et d’Electronique
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SAÏSSET Rémi, TURPIN Christophe, ASTIER Stéphan,
Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
« Filtrage actif » et gestion d’énergieEx : Hybridation de composants de stockage
accumulateur + supercondensateur
Accumulateur
Supercondensateur
Lissage de la puissance vue par la batterie d’accumulateurs
Filtrage actif
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
« Filtrage actif » et gestion d’énergie
Roue
Transmission
Moteur
Onduleur
Batteries
Bus continu
Commande
Pilote
==
Supercondensateurs
Variable de commande
Formulation « filtrage » résout gestion temps réel du stockage court
Amélioration :- contraintes sur batterie - autonomie du système
Avec supercondensateur
Sans supercondensateur
C(A.h)
t(s)50 min
MissionsINRETS
Analyse fréquentielle des missions
Fréquence de coupure dimensionnement, gestion d’énergieUn indicateur pertinent extrait de la mission
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Conclusion
• La pile autorise plusieurs modes de fonctionnement dans des architectures variées à comparer suivant les besoins.
• Le fonctionnement à tension imposée par un stockage piloté apparaît prometteur.
• La formulation en termes de filtrage actif résout la gestion (reconditionnement) du stockage (rapide).
• Des validations expérimentales sont en cours.
• La modélisation basée sur la représentation des conversions d’énergie (BG) permet des études comparatives système efficace
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MPPTTransmission
Moteur
Onduleur
Accumulateur
Bus continu
CommandeHacheur
Panneau solaire
Modèle global d’un véhicule électrique solaire
STO LI-ION
GMPmPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
mPVi
G
T
C
0
0
0
electrique
temperature
VI
1
MSemesures
0
0
0
MSe
mesures
electrique
temperature
VI
1
GPV
Solelhada
Noeud
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Véhicule au départ
Deux stratégies de course :
•Au fil du soleil
•A vitesse constante puis recharge des batteries face au soleil
Stratégie de course
Exploitationdu modèle global
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Sophia-Antipolis Sophia-Antipolis 16 et 17 oct. 200316 et 17 oct. 2003GDR ME2MS
Inclinaison 50°
Inclinaison 20°
Temps de parcours de 40 km
A vitesse constante
60 km/h
Au fil du soleil
A vitesse constante
60 km/h
Au fil du soleil
Temps de recharge en inclinant le panneau
vers le soleil
Temps total
2404 s
3113 s
2434 s
4450 s
1100 s
0 s
1880 s
0 s
4314 s
4450 s
3113 s
3504 s
Exploitation du modèle global
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