A continuous increase in demands from the utility grid and traction applications have steered public attention toward the integration of energy storage (ES) and hybrid ES (HESS) solutions. Modern technologies are no longer limited to batteries, but can include supercapacitors (SC) and flywheel electromechanical ES well. However, insufficient control and algorithms to monitor these devices can result in a wide range of operational issues. A modern day control platform must have a deep understanding of the source. In this dissertation, specialized modular Energy Storage Management Controllers (ESMC) were developed to interface with a variety of ES devices. The EMSC provides the capability to individually monitor and control a wide range of different ES, enabling the extraction of an ES module within a series array to charge or conduct maintenance, while remaining storage can still function to serve a demand. Enhancements and testing of the ESMC are explored in not only interfacing of multiple ES and HESS, but also as a platform to improve management algorithms. There is an imperative need to provide a bridge between the depth of the electrochemical physics of the battery and the power engineering sector, a feat which was accomplished over the course of this work. First, the ESMC was tested on a lead acid battery array to verify its capabilities. Next, physics-based models of lead acid and lithium ion batteries lead to the improvement of both online battery management and established multiple metrics to assess their lifetime, or state of health. Three unique HESS were then tested and evaluated for different applications and purposes. First, a hybrid battery and SC HESS was designed and tested for shipboard power systems. Next, a lithium ion battery and SC HESS was utilized for an electric vehicle application, with the goal to reduce cycling on the battery. Finally, a lead acid battery and flywheel ES HESS was analyzed for how the inclusion of a battery can provide a dramatic improvement in the power quality versus flywheel ES alone.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la continuité des activités de recherche du laboratoire GREAH sur les problématiques de la gestion d’énergie électrique et de l’amélioration de la qualité énergétique des systèmes de production aux énergies renouvelables. En effet, le couplage de plusieurs sources de natures différentes entraîne des problématiques de dimensionnement, de qualité d’énergie et de la durée de vie des éléments interconnectés. La démarche scientifique repose sur la caractérisation de l'évolution des résistances et des capacités des cellules de batteries LFP/supercondensateurs en fonction des contraintes électriques et thermiques, suivi de la modélisation du vieillissement accéléré des cellules. Nous proposons dans ce mémoire de thèse des améliorations de la réponse dynamique d’un bateau fluvial à propulsion électrique par l’hybridation des batteries LFP et des supercondensateurs. Nous proposons également une approche électrothermique pour la caractérisation et la modélisation multi-physique du vieillissement des batteries et supercondensateurs en utilisant des contraintes combinées de la température et de la fréquence des ondulations du courant de charge/décharge des cellules. Les données expérimentales collectées ont permis d'établir des modèles des supercondensateurs et des batteries dédiés aux systèmes multi-sources incluant des sources d’énergie renouvelable (éoliens et hydroliens). Les modèles développés se révèlent très précis par rapport aux résultats expérimentaux. Ils permettent une bonne description du phénomène de vieillissement des batteries LFP/supercondensateurs dû aux opérations de charge/décharge avec un courant continu fluctuant combiné à une température variable. / This thesis work is a continuation of the research activities of the GREAH laboratory on the issues of the management of electrical energy and improving the energy quality of production systems for renewable energy. Indeed, the coupling of several different nature sources entails the problems of dimension, quality of energy and the lifetime of the interconnected elements. The scientific approach is based on the characterization of the evolution of the resistances and capacitances of the batteries/supercapacitors cells according to the electrical and thermal constraints, followed by the modeling of accelerated cells aging. In this thesis, we propose improvements to the dynamic response of an electric propulsion fluvial boat by using the hybrid system of lithium-batteries and supercapacitors. We also propose an electrothermal approach for the multi-physical characterization and modeling of the batteries and supercapacitors aging, using combined constraints of the temperature and frequency of the DC current ripples. The experimental data has been collected to establish models of batteries and supercapacitors dedicated to multi-source systems including renewable energy sources (wind and tidal turbines). The results of the developed models shown high accuracy compared with experimental results. These models illustrated a good description of the aging phenomenon of batteries/ supercapacitors due to charging/discharging operations with a fluctuating continuous current combined with a variable temperature.

Les Energies Marines Renouvelables (EMR) se développent aujourd’hui très vite tant au niveau de la recherche amont que de la R&D, et même des premiers démonstrateurs à la mer. Parmi ces EMR, l'énergie des vagues présente un potentiel particulièrement intéressant. Avec une ressource annuelle brute moyenne estimée à 40 kW/m au large de la côte atlantique, le littoral français est plutôt bien exposé. Mais l’exploitation à grande échelle de cette énergie renouvelable ne sera réalisable et pertinente qu'à condition d'une bonne intégration au réseau électrique (qualité) ainsi que d'une gestion et d'un dimensionnement optimisé au sens du coût sur cycle de vie. Une première solution de génération tout électrique pour un houlogénérateur a d’abord été évaluée dans le cadre de la thèse de Marie RUELLAN menée sur le site de Bretagne du laboratoire SATIE (ENS de Cachan). Ces travaux ont mis en évidence le potentiel de viabilité économique de cette chaîne de conversion et ont permis de poser la question du dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de soulever les problèmes associés à la qualité de l’énergie produite. Puis une seconde thèse a été menée par Judicaël AUBRY dans la même équipe de recherche. Elle a consisté, entre autres, en l’étude d’une première solution de traitement des fluctuations de la puissance basée sur un système de stockage par supercondensateurs. Une méthodologie de dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de gestion de l’énergie stockée fut également élaborée, mais en découplant le dimensionnement et la gestion de la production d’énergie et de ceux de son système de stockage. Le doctorant devra donc : 1. S’approprier les travaux antérieurs réalisés dans le domaine de la récupération de l’énergie des vagues ainsi que les modèles hydrodynamiques et mécaniques réalisés par notre partenaire : le LHEEA de l’Ecole Centrale de Nantes - 2. Résoudre le problème du couplage entre dimensionnement/gestion de la chaîne de conversion et dimensionnement/gestion du système de stockage. 3. Participer à la réalisation d’un banc test à échelle réduite de la chaine électrique et valider expérimentalement les modèles énergétiques du stockage et des convertisseurs statiques associés - 4. Proposer une méthodologie de dimensionnement de la chaine électrique intégrant le stockage et les lois de contrôle préalablement élaborées 5. Déterminer les gains en termes de capacités de stockage obtenus grâce à la mutualisation de la production (parc de machines) et évaluer l’intérêt d’un stockage centralisé - 6. Analyser l’impact sur le réseau d’une production houlogénérée selon divers scenarii, modèles et outils développés par tous les partenaires dans le cadre du projet QUALIPHE. L’exemple traité sera celui de l’Ile d’Yeu (en collaboration avec le SyDEV. / The work of this PhD thesis deals with the minimization of the per-kWh cost of direct-drive wave energy converter, crucial to the economic feasibility of this technology. Despite the simplicity of such a chain (that should provide a better reliability compared to indirect chain), the conversion principle uses an oscillating system (a heaving buoy for example) that induces significant power fluctuations on the production. Without precautions, such fluctuations can lead to: a low global efficiency, an accelerated aging of the fragile electrical components and a failure to respect power quality constraints. To solve these issues, we firstly study the optimization of the direct drive wave energy converter control in order to increase the global energy efficiency (from wave to grid), considering conversion losses and the limit s from the sizing of an electrical chain (maximum force and power). The results point out the effect of the prediction horizon or the mechanical energy into the objective function. Production profiles allow the study of the flicker constraint (due to grid voltage fluctuations) linked notably to the grid characteristics at the connection point. Other models have also been developed to quantify the aging of the most fragile and highly stressed components, namely the energy storage system used for power smoothing (with super capacitors or electrochemical batteries Li-ion) and power semiconductors.Finally, these aging models are used to optimize key design parameters using life-cycle analysis. Moreover, the sizing of the storage system is co-optimized with the smoothing management.