Les technologies alternatives pour le transport

BATTERIE

Les modules d’un pack batteries sont le plus souvent connectés via une configuration série. Cette configuration est certes la plus économique mais son utilisation peut en trainer des dysfonctionnements dus au dés équilibrage de la charge ou de la décharge des modules lors du fonctionnement. Certains modules peuvent donc être soumis à une charge trop importante ou une décharge trop profonde. L’utilisation d’une configuration parallèle à travers des convertisseurs dédiés permet de s’ affranchir de ce problème. Encore une fois, la redondance du système offre plus de liberté au niveau du profil de charge imposé à chaque module. La stratégie de gestion proposée dans [Moo et al., 2008] impose une décharge intermittente à chacun des modules (voir figure 2.1). Ainsi certains modules se déchargent pendant que d’autres sont au repos. Les résultats présentés annoncent alors une augmentation de la capacité effective par rapport au fonctionnement à charge constante. De plus cette stratégie permet d’évaluer plus précisément l’état de charge de chacun des modules durant les phases de repos en fonction de la tension à vide.

Une seconde stratégie répartissant la puissance entre les différents modules dans le but de minimiser la vitesse de dégradation du système est proposée dans [Babazadeh et al., 2014]. Une modélisation de la dépendance de la vitesse de dégradation d’un module en fonction de la profondeur de décharge et du courant de décharge est proposée. En utilisant cette modélisation, la résolution du problème d’optimisation suivant permet d’obtenir la distribution minimisant la vitesse de dégradation: où P est un vecteur regroupant les puissances respectives auxquels les modules sont soumis, P req est la demande en puissance et Pi,ub est la limite haute de puissance pour chaque module. Une comparaison expérimentale entre cette stratégie de gestion et une stratégie de gestion plus répandue distribuant la puissance proportionnellement à la capacité de la batterie à été effectuée sur un système composé de 2 batteries identiques mais pour lequel 1 ‘état de charge de départ de l’une est de 50% alors que pour la seconde il est de 25%. Les résultats permettent d’observer un gain en durée de vie en faveur de la stratégie optimale proposée par l’auteur. Ce gain en durée de vie se traduisant par une réduction du coût d’exploitation du système de 12.5 %.

ARCHITECTURE FLUIDIQUE

L’architecture fluidique décrit la configuration adoptée par les sous-systèmes d’apport en réactifs. Plusieurs architectures pour des systèmes PAC multi-piles de technologie SOFC ont été proposées et étudiées [Assaburnrungrat et al., 2009]. Elles sont présentées en figure 2.3. La configuration parallèle est présentée en figure 2.3.a. Deux variantes de la configuration série sont également proposées. La première, présentée en figure 2.3.b, possède une paire de compresseurs installées en amont du premier stack. La deuxième, présentée en figure 2.3.c, possède deux paires de compresseurs installées en amont du premier stack et entre le premier et le deuxième’ stack. Ces architectures ont été étudiées en simulation et les résultats de simulation indiquent que la puissance générée par le système augmente, dans une certaine limite, avec le débit de réactif fourni aux piles [Song et al., 2000]. Toutefois, la chute de pression entre l’entrée et la sortie du stack augmente avec le débit et le courant débité par la pile [Pei et al., 2006].

De plus, une augmentation du débit de réactif entraîne également une augmentation de la puissance consommée par les compresseurs. L’utilisation de l’architecture série permet une génération de puissance brute plus importante (figure 2.4a). Cependant, c’est l’architecture parallèle qui propose une puissance nette plus importante (figure 2.4b). FIGURE 2.4 – (a) Influence de la tension d’opération sur la puissance fournie [Assabumrungrat et al., 2009], (b) Influence de la tension d’opération sur la puissance nette [Assaburnrungrat et al., 2009] Comme proposé dans le brevet [Katz, 1991], d’ autres possibilités ont été explorées sans imposer de restrictions vis-à-vis de la technologie utilisée. Trois architectures sont détaillées en figure 2.5. La première architecture fournit les piles en réactifs de manière homogène (figure 2.5.a). La deuxième architecture fournit les stacks 1 et 2 de façon homogène alors que le stack 3 reçoit l’échappement des stacks 1 et 2 (figure 2.5.b). La troisième architecture lie les circuit d’apport en réactif de chaque stack en série (figure 2.5.c). Dans le cas des configurations b et c, le flux d’hydrogène circulant dans les stacks en amont est plus important que celui circulant dans les stacks en aval.

Le dimensionne ment des circuits fluidiques des stacks seront donc différents selon leur position dans la chaîne. D’après [Katz, 1991], les deuxième et troisième configurations affichent les meilleurs performances en termes de limitation de l’appauvrissement en réactif car la consommation des stacks en aval circule également par les stacks en amont. Cela permet de fournir un surplus de réactif aux stacks en amont et donc de fonctionner en sur-stoechiométrie. Dans les deux cas, le surplus en réactif imposée aux premiers stacks de l’architecture est plus important que celui de la première configuration. Entre ces deux configurations, c’est la deuxième qui est préférée car son compresseur requiert moins de puissance. La configuration série serait alors la plus fiable mais requiert également plus de puissance que la configuration parallèle. Toutefois, la problématique de l’assèchement de la membrane électrolytique n’est pas abordée par l’auteur alors que les configurations fluidiques proposées lui sont plus (série/série-parallèle) ou moins (parallèle) favorable.

TRAVAUX EFFECTUÉS

Le premier chapitre de ce manuscrit présente l’ état de l’ art de la recherche sur les systèmes PAC multi-piles. Grâce à celui-ci il a été possible de mettre en évidence les thématiques les plus prometteuses. Ainsi, le fonctionnement en mode dégradé, l’ électronique de puissance et les configurations d’ utilisation des systèmes PAC multi-piles sont les sujets les plus étudiés. Toutefois, leur gestion énergétique et leur dimensionnement font partie des thématiques les moins explorées alors qu’elles ont une influence considérable sur les performances du système. C’est pourquoi cette thématique est au coeur des travaux présentés dans ce manuscrit. De plus, l’ expertise des équipes de recherche de l’IRH et du FCLAB sur ces thématiques est un avantage. Afin de limiter les coûts, la plupart des travaux de cette thèse ont été effectués en simulation. TI a donc été nécessaire de modéliser le comportement énergétique et le vieillissement du système de fourniture énergétique. Dans le deuxième chapitre, ce modèle est décrit. Le formalisme REM a été adopté pour permettre de rendre compte plus facilement des échanges énergétiques entre les différents éléments du système. Le système PAC et la batterie sont modélisés. C’est un modèle de système PAC atmosphérique optant pour un fonctionnement à anode fermée.

Le paramétrage du modèle a été effectué à partir de données obtenues sur le banc de test de l’IRH. Les résultats de simulation du modèle montrent que le comportement approche bien celui du système réel obtenu expérimentalement en utilisant un profil de puissance automobile. La modélisation du vieillissement des PAC et des batteries est une thématique de recherche active. Ici, nous avons opté pour un modèle empirique issu de la littérature pour la batterie et un modèle adapté de la littérature pour la PAC. Le troisième chapitre met en avant l’influence de la gestion énergétique et du dimensionnement sur un système PAC multi-pile ainsi qu’une comparaison des performances des systèmes PAC multi-pile et monopile dans le cadre d’une application automobile. Basé sur la résolution d’un problème d’ optimisation, les résultats présentés montrent que, dans le cadre de l’étude présentée, les systèmes multi-piles affichent de meilleures performances que les systèmes monopiles. La dégradation des systèmes multi-piles est plus lente et leur consommation plus faible. De plus, plus le taux d’ hybridation diminue plus l’ écart entre les performances des systèmes multi-pile et monopile augmente. Le comportement décrit par la stratégies de gestion optimale tend à limiter le nombre de systèmes mis en route au minimum nécessaire pour effectuer le cycle. Un fonctionnement le plus proche du rendement maximum respectant les contraintes de puissance est alors privilégié. Afin d’évaluer les performances en conditions réelles d’un système PAC multi-pile, une stratégie de gestion énergétique en ligne a été mise au point. Cette stratégie est composée de trois modules. Le premier module estime le degré de similarité entre le profil parcouru et plusieurs profils de référence caractérisant le comportement du conducteur. Ensuite, à partir de ce résultat, le deuxième module permet de déterminer si il est nécessaire de démarrer un système PAC additionnel en utilisant une méthode basée sur la théorie de décision bayésienne. Le dernier module définit le niveau de puissance fourni par les sources du système ayant été précédemment démarrées à l’aide d’une méthode minimisant la dérivée du coût d’exploitation. Cette stratégie de gestion énergétique a été comparée à deux stratégies de gestion énergétique en ligne conçues pour les systèmes PAC multi-piles. Cette stratégie permet alors d’obtenir de meilleures performances en termes de dégradation, coût d’exploitation mais impose une charge de calcul plus élevée au calculateur.