Coordinated Home Energy Management in Community Microgrids with Energy Sharing Among Smart Homes

International audienceThis paper presents a coordination mechanism for smart homes in community microgrids (smart neighborhoods) whether photovoltaics (PV), home battery storage and electric vehicles (EV) are available. The objective of the proposed method is to reduce the electricity cost of the users, as well as the aggregated peak load of the area by establishing an energy sharing ability among neighbors. A decentralized control algorithm deployed by the smart homes is used for battery control and appliance scheduling. It is assumed that the users are the owners of these resources and that they are selfish decision-makers who focus on increasing own benefit. For the neighborhood, a dynamic price model is used, where the price is associated to the aggregated consumption of the neighborhood area. Numerical results show that proposed coordination mechanism with energy sharing provides benefits for both the users and the utility

Modélisation et émulation 3D orienté temps réel de la diffusion de réactifs dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons

Le but de ce travail est de donner la répartition des concentrations de gaz dans une pile à combustible à membrane échangeuse de proton en temps réel pour faire du diagnostic en ligne. Comme ce modèle doit donner des résultats sur plusieurs dimensions et que les phénomènes se modélisent bien avec des équations aux dérivées partielles, la méthode utilisée pour le calcul sera une méthode de discrétisation. Enfin, le modèle doit être conçu de manière à nécessiter peu de calculs afin de rendre son utilisation en temps réel possible

Contribution to the modeing and optimization of hybrid architectures

Electric and hybrid vehicles are made up of different components and organs : the energy sources with their storage and conversion systems, the thermal engines, the mechanical transmissions, the power converters, the control and management of the components (software tools, electronic boards, electrical bus carrying power and information) Each element has its own physical behavior with different dynamics. The first part of this thesis presents a state of the art of the electric and hybrid solutions placed in the environmental context. The different ways for the storage of the electrical energy are described and compared. An introduction to the fuel cell is presented. One objective of this work was the contribution to the development of an integrated design tool, based on physical models whose accuracy is at several levels depending on usage. This tool should be used for optimization, sizing and design of hybrid architectures by using virtual prototyping. The construction of modular test benches allowed us to evaluate different technologies in the field of electrical and hybrid systems. Indeed, one of the approaches being developed in the SeT laboratory is to compare different architectures in terms of available technology in order to optimize the power train of the vehicles. More, these tools were used to validate the numerical models of the components and the laws of energy management. The last part presents the results of numerous simulations and experiments performed. These results have validated our design and modeling methods.Les véhicules électriques et hybrides sont constitués de différents composants et organes : la (ou les) source d énergie, son stockage et sa conversion, la (ou les) motorisation, la transmission mécanique et/ou électronique (pour les véhicules complètement électriques), la commande et la gestion des différents composants (outils de commande, cartes électroniques, bus véhiculant la puissance et l information) Chaque organe possède sa propre physique mais également une dynamique appropriée. Il constitue à lui seul un sous système nécessitant ainsi une approche de modélisation et de simulation bien particulière. La première partie présente un état de l art des solutions électriques et hybrides existantes en prenant comme base le véhicule à combustion interne classique placé dans son contexte environnemental. Les différents moyens de stockage de l énergie électrique sont exposés et comparés. Un des objectifs était le développement d un outil de dimensionnement énergétique intégré et modulaire, basé sur des modèles physiques dont la précision est à plusieurs niveaux selon l usage. Cet outil doit servir à terme à l optimisation, au dimensionnement et à la conception des architectures hybrides par une approche de prototypage virtuel. La mise en place de bancs d essais modulaires a permis d évaluer différentes technologies dans le domaine des motorisations électriques et hybrides. De plus, ces outils ont permis de valider des modèles numériques des composants ainsi que les lois de gestion d énergie. La dernière partie montre les nombreux résultats de simulations et d expérimentations obtenus validant ainsi nos méthodes de conception et de modélisation.BELFORT-BU L. FEBVRE (900102102) / SudocBELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF

Modélisation d’un système pile à combustible pour l’estimation de ses performances dans un contexte automobile

National audienceL’estimation des performances d’un système énergétique est un point clé avant sa commercialisation, son intégration et son utilisation. La modélisation des piles à combustible est très répandue mais la totalité du système est rarement considérée avec précision. Il est ici question de modéliser de manière fine la pile à combustible (stack) mais également ses auxiliaires formant le système pile à combustible. De la pompe de recirculation d’hydrogène, au compresseur d’air, les différents composants sont étudiés et modélisés en fonction des caractéristiques communiquées par les fournisseurs

Control strategy of fuel cell electric vehicle including degradation process

This paper proposes an energy management for fuelcell electric vehicle taking into account the fuel cell degradationduring its lifetime. The aim of the study is to design a controlstrategy which manage a power converter in order to use the fuelcell system as a range extender by preventing the batteries stateof charge to drop too quickly. The presented controller use bothbatteries state of charge and fuel cell degradation estimation tocontrol the fuel cell power

Synthèse des mécanismes de dégradation et de leurs effets sur les taux de dégradation des piles à combustible à membrane échangeuse de protons et des batteries lithium-ion nickel-manganèse-cobalt dans les applications de transport hybride

International audience<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(46, 46, 46); font-family: NexusSerif, Georgia, &quot;Times New Roman&quot;, Times, STIXGeneral, &quot;Cambria Math&quot;, &quot;Lucida Sans Unicode&quot;, &quot;Microsoft Sans Serif&quot;, &quot;Segoe UI Symbol&quot;, &quot;Arial Unicode MS&quot;, serif; font-size: 18px; vertical-align: inherit;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtL'électrification du secteur des transports est l'une des priorités du XXIe siècle pour atteindre les objectifs de la transition énergétique.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtLes piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont attiré une attention particulière grâce à leur énergie spécifique élevée et leur temps de ravitaillement court.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtMalgré des progrès significatifs, leur durée de vie est encore limitée dans les applications de transport.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtUn&nbsp;</font&gt</font&gt<a href="https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/energy-storage-system" title="En savoir plus sur le système de stockage d'énergie à partir des pages thématiques générées par l'IA de ScienceDirect" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; background-color: transparent; text-decoration-line: none; color: rgb(12, 125, 187); word-break: break-word; font-family: NexusSerif, Georgia, &quot;Times New Roman&quot;, Times, STIXGeneral, &quot;Cambria Math&quot;, &quot;Lucida Sans Unicode&quot;, &quot;Microsoft Sans Serif&quot;, &quot;Segoe UI Symbol&quot;, &quot;Arial Unicode MS&quot;, serif; font-size: 18px;"&gtsystème de stockage d'énergie&nbsp;</a&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(46, 46, 46); font-family: NexusSerif, Georgia, &quot;Times New Roman&quot;, Times, STIXGeneral, &quot;Cambria Math&quot;, &quot;Lucida Sans Unicode&quot;, &quot;Microsoft Sans Serif&quot;, &quot;Segoe UI Symbol&quot;, &quot;Arial Unicode MS&quot;, serif; font-size: 18px; vertical-align: inherit;"&gt<span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt(ESS) de</font&gt</span&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt&nbsp;soutien&nbsp;</font&gt</font&gt<span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(46, 46, 46); font-family: NexusSerif, Georgia, &quot;Times New Roman&quot;, Times, STIXGeneral, &quot;Cambria Math&quot;, &quot;Lucida Sans Unicode&quot;, &quot;Microsoft Sans Serif&quot;, &quot;Segoe UI Symbol&quot;, &quot;Arial Unicode MS&quot;, serif; font-size: 18px;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtest nécessaire pour réduire le dimensionnement du PEMFC, la consommation d'hydrogène et améliorer sa durabilité.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtDans cet article, les batteries lithium-ion nickel-manganèse-cobalt (NMC) sont considérées comme prenant en charge les SSE.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtCet article met l'accent sur les dégradations électrochimiques générées lors des conditions de fonctionnement hybrides sur les batteries PEMFC et NMC.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtAprès analyse des modes de fonctionnement affectant la durabilité des sources, leurs&nbsp;</font&gt</font&gt<a href="https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/degradation-rate" title="En savoir plus sur les taux de dégradation à partir des pages thématiques générées par l'IA de ScienceDirect" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; background-color: transparent; text-decoration-line: none; color: rgb(12, 125, 187); word-break: break-word;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gttaux de dégradation</font&gt</font&gt</a&gt<span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtsont passés en revue à partir de la littérature en termes de chute de tension pour PEMFC et en termes de capacité et de puissance évanouie pour la batterie NMC.&nbsp;</font&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtCette étude vise à comprendre les&nbsp;</font&gt</font&gt<a href="https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/degradation-mechanism" title="En savoir plus sur les mécanismes de dégradation dans les pages thématiques générées par l'IA de ScienceDirect" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; background-color: transparent; text-decoration-line: none; color: rgb(12, 125, 187); word-break: break-word;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gtmécanismes de dégradation</font&gt</font&gt</a&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt<font style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; vertical-align: inherit;"&gt&nbsp;et à fournir des estimations des taux de dégradation des PEMFC à prendre en compte dans la gestion de l'énergie pour les applications hybrides.</font&gt</font&gt</span&gt</span&g

High-level Sizing Method for Hybrid Electric Distributed Propulsion Aircraft

International audience<div style=""&gt<font face="arial, helvetica"&gt<span style="font-size: 13px;"&gtNew concepts of aircraft and new energy carriers in aeronautics challenge aircraft design processes. Essential&nbsp;</span&gt</font&gt<span style="font-size: 13px; font-family: arial, helvetica;"&gtearly design stages such as conceptual and preliminary design are significantly affected. During&nbsp;</span&gt<span style="font-size: 13px; font-family: arial, helvetica;"&gtthis stage, sizing methods commonly rely on historical datasets and laws. However substantial differences&nbsp;</span&gt<span style="font-size: 13px; font-family: arial, helvetica;"&gtbetween conventional and new aircraft beg to question the representativeness of these assumptions. The</span&gt</div&gt<div style=""&gt<font face="arial, helvetica"&gt<span style="font-size: 13px;"&gtfollowing study strives to answer the issue of aircraft preliminary sizing through a model-based design&nbsp;</span&gt</font&gt<span style="font-size: 13px; font-family: arial, helvetica;"&gtapproach. A full range of design and interpretations on their feasibility are showcased.</span&gt</div&g

Impact of current ripples on the durability of proton exchange membrane fuel cells based on two ageing datasets

International audienceThe dataset proposed two long term tests to evaluate the impact ofthe current ripples of the fuel cell durability. To be able tocompare both degradations, the first ageing test is performed understeady-state conditions at constant current. This time series couldbe used as the durability reference. While the second long-termtest is dedicated to degradation under rippled current with highfrequency triangular perturbations, similar to the load imposed bya power converter. Thus, the second time series considers theactual degradation that could appear on an embedded system. Bothtests are running on two fresh proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) stacks composed of 5-cells during around 1,000 hours, tomake degradation comparable. An in-lab test bench is used tomonitor all the fluidic, thermal and electric parameters thanks toa National Instruments acquisition device and an in-lab designedLabview software. Some polarization curves and electrochemicalimpedance spectra (EIS) are performed periodically during bothdurability tests. Both datasets provide to study the performancedegradation along time for steady-state and rippled solicitations.These datasets can be directly used to validate some prognosticsapproaches and estimate the remaining useful lifetime (RUL)

Commande d'un compresseur centrifuge à vitesse ultra-haute pour la gestion de l'air du système de piles à combustible

Le compresseur d'air alimentant en oxygène la pile est un élément important dans les systèmes pile à combustible. Le compresseur peut consommer jusqu'à 20% de l'électricité produite dans les cas les plus défavorables. Le choix et le dimensionnement du compresseur, ainsi que son système de contrôle associé, sont directement liés à la performance du système global. La taille et le poids du système de compression d'air doivent être réduits pour le rendre plus adapté aux applications automobiles. En outre, le contrôle du système de compression d'air est également une problématique importante car il affecte l'efficacité et la sécurité de fonctionnement de la pile à combustible. Pour éviter une sous-alimentation en oxygène de la pile, le débit massique d air fourni doit être géré de façon appropriée en fonction de la demande de la charge électrique. Pendant ce temps, la pression ne doit pas montrer de trop grandes variations ou ondulations qui peuvent endommager la membrane de la pile.Un contrôle à découplage proposé récemment dans la littérature, nommé contrôle à découplage de perturbation (DDC), est utilisé pour le système de compression centrifuge. Le DDC traite les interactions internes comme une perturbation, puis les éliminent dans le contrôle. Les performances du DDC sont comparées à un dispositif de commande en mode glissant décentralisé. Grâce à la comparaison de ces deux contrôleurs, les résultats montrent que le DDC proposé est performant tant pour des cas stables que dynamiques. Le compresseur centrifuge est donc utilisable pour les systèmes pile à combustible automobiles. Sur un banc d'essai hardware-in-the-loop (HIL), le contrôleur proposé est validé avec un modèle de pile à combustible de 10 kW avec des demandes de charge variables. En outre, une méthode d'évitement d instabilité, à savoir un limiteur de référence, est proposé pour empêcher le dépassement de la ligne de pompage du compresseur. Les résultats expérimentaux montrent que, dans tous les cas, la zone d utilisation du compresseur est bien cantonnée à droite de la ligne de pompage.Air compressor supplying the oxygen to the stack is an important component in the fuel cell systems. The compressor can consumes up to 20 % of the generated power in the most severe cases. The selecting of the compressor and corresponding control are directly related to the performance of the fuel cell. The size and weight of the air compressor has to be reduced to make them more feasible for automotive applications. Moreover, the control of the air compression system is also an important issue, which affects the efficiency and the safety of the fuel cell. To avoid oxygen starvation of the stack, the mass flow of the supplied air has to be controlled appropriately according to the load demand. Meanwhile, the pressure should not have large deviations or ripples which may damage the stack membrane.A recently proposed disturbance decoupling control (DDC) is used for the centrifugal compression system. DDC treats the internal interactions as a disturbance and then eliminates them in the control. The performance of the DDC is compared with a decentralized sliding mode controller. Through the comparison of those two controllers, the results show that the proposed DDC performs better in both the steady state and dynamic conditions, making the centrifugal compressor is capable of applying to the fuel cell in automotive applications. On a hardware-in-the-loop (HIL) testbench, the proposed controller is validated with a 10 kW fuel cell model under varied load demands. Moreover, a surge avoidance method, namely reference limiter, is proposed to prevent the compressor from surging. The experimental results show that the operation is restricted to the right of the surge line.BELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF

Decentralized neighborhood energy management with coordinated smart home energy sharing

International audienceThis paper introduces a day-ahead energy management algorithm for the coordination of smart homes with renewable energy sources and energy storage systems in neighborhood areas. The aim of this study is to establish a day-ahead decentralized coordination method with appliance scheduling and energy sharing (among smart homes) to minimize the electricity bills of consumers under dynamic pricing. The energy sharing algorithm focuses on increasing the utilization of renewable sources by controlling storage units. A multi-agent system is used to model entities (smart homes, aggregator and utility) as agents and the optimization problem is solved in a decentralized manner by home agents with a genetic algorithm. The performance of the coordination algorithm is evaluated annually with and without considering forecasting errors