Dans cette nouvelle TechLetter, nous allons étudier le cas d’utilisation d’une batterie dans un système pile à combustible. Dans un véhicule à hydrogène, une pile à combustible produit de l’électricité pour apporter la puissance nécessaire au fonctionnement du moteur électrique en consommant comme carburant de l’hydrogène. Il existe de nombreuses technologies de pile à combustible mais nous nous limiterons ici au cas des piles à combustible basse température à hydrogène de type PEMFC.
Si les autonomies obtenues avec des véhicules à batterie ou à pile à combustible sont proches, le véhicule à pile à combustible présente l’avantage de se recharger plus rapidement qu’un véhicule électrique (en quelques minutes). Contrairement aux véhicules diesel ou essence, le véhicule à hydrogène présente l’avantage de ne rejeter que de l’eau. La pollution liée à l’hydrogène n’est générée que dans sa phase de production et dépend du procédé utilisé. Vous pourrez trouver plus d’information sur ce sujet en lisant le rapport suivant de l’ADEME .
Dans la pile à combustible, une réaction d’oxydoréduction se forme et permet de créer de l’électricité et de la chaleur. Il y a 2 électrodes : une anode oxydante et une cathode réductrice, séparées par un électrolyte central. Un réservoir spécifique fournit en continu de l’hydrogène à l’anode. La cathode se fournit en oxygène grâce à un compresseur d’air qui s’alimente sur l’air ambiant. La réaction provoque l’oxydation de l’hydrogène (formation d’eau) et la libération d’électrons. Ces électrons alimentent le circuit électrique en courant continu à une tension qui dépend du nombre de cellules élémentaires à hydrogène connectées en série. Vous pourrez trouver plus d’information sur les sites d’H2SYS ou du CEA.
Source : https://www.h2sys.fr/fr/technologies/pile-a-combustible/
La pile à combustible est généralement associée à une batterie, dite de puissance ou « buffer » en anglais (voir illustration Audi h-tron ci-dessous). Les fonctions principales de cette batterie sont les suivantes :
- Fournir les pics de puissance, généralement importants dans les applications mobiles, pour lisser la demande de puissance pour la pile à combustible. En effet, la dynamique de fonctionnement du compresseur d’air est souvent trop faible pour répondre aux forts appels de puissance. Cela permet aussi de dimensionner la pile à combustible sur la puissance moyenne et non sur la puissance maximale et ainsi de réduire les coûts du système complet.
- Fonctionner par grand froid (-20°C) : Le fonctionnement par grand froid de la pile à combustible est complexe. Il faut d’une part limiter la quantité d’eau à son extinction afin d’éviter le gel interne (et donc la détérioration de la pile). D’autre part il lui faut assez d’humidité relative dans ses membranes pour son redémarrage et la circulation facile des électrons. La batterie soutient alors le démarrage grâce au préchauffage qui évite le gel interne de la pile à combustible.
- Être la plus compacte possible tout en délivrant le maximum de puissance à une tension élevée. Comme vous pouvez le voir sur le concept Audi h-tron présenté ci-dessous, de nombreux composants sont à intégrer et le volume dédié pour la batterie est faible.
- Permettre la récupération d’énergie au freinage. En effet, les piles à combustibles ne sont pas réversibles et ne permettent donc pas de récupérer l’énergie cinétique des mouvements lors de leur freinage. L’ajout d’une batterie permet de significativement réduire la consommation énergétique du véhicule en permettant la récupération de l’énergie de freinage.
Source : https://www.automobile-propre.com/dossiers/differences-voiture-electrique-voiture-hybride-hydrogene/
Il y a plusieurs chimies de batterie disponibles afin de réaliser cette fonction. Vous pourrez trouver des informations sur les différentes chimies et leurs avantages dans notre TechLetter : Electrode positive : les différentes technologies pour les batteries lithium-ions. WATTALPS peut proposer 3 types de chimie pour les applications pile à combustible, le LFP puissance, le NCA puissance, et le NCA longue vie:
- Le module LFP puissance présente une durée de vie et une puissance pic de charge plus élevée que les modules NCA, mais dispose de nettement moins d’énergie. Cette chimie est sans Nickel ni Cobalt, ce qui en fait un atout majeur dans certaines circonstances. Ce module sera très adapté pour les applications hybrides nécessitant une forte puissance de pointe en charge et en décharge ainsi que peu d’autonomie sur la batterie seule.
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- ⇒ Parfaitement adapté pour une hybridation full power côté Fuel Cell (design avec le plus de puissance côté pile)
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- Le module NCA puissance peut délivrer une forte décharge et se charger très rapidement, tout en offrant une haute densité énergétique et un prix compétitif comparé des chimies tel que le LTO.
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- ⇒ Parfaitement adapté pour une utilisation Mid power (50-50) et range extender (plus de puissance côté batterie, pile seulement là pour plus d’autonomie)
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- Le module NCA longue vie est adapté pour les applications hybrides plug-in dans lesquelles il est important que la batterie assure une autonomie significative sans utilisation d’hydrogène.
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- ⇒ Parfaitement adapté pour une utilisation en Mid power (50-50) et range extender (plus de puissance côté batterie, pile seulement là pour plus d’autonomie)
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Pour répondre aux besoins des piles à combustible, les batteries doivent être aussi équipées d’un BMS adapté. Les batteries pour pile à combustible sont souvent maintenues à un état de charge moyen et peuvent ne jamais être chargées complètement. La majorité des batteries lithium-ions utilisent la charge complète pour réaliser 2 fonctions importantes : l’équilibrage des cellules et la recalibration de l’état de charge. Si ces 2 fonctions ne sont pas réalisées régulièrement, l’évaluation de l’état de charge de la batterie va dériver et les performances de la batterie peuvent être significativement diminuées. Le BMS de la batterie doit permettre un équilibrage et une recalibration de l’état de charge même si la batterie n’est pas complètement chargée, ce qui est rarement le cas pour les batteries du marché.
Vous trouverez plus d’information sur un BMS qui réalise parfaitement cette fonction dans la TechLetter : Le Full-BMS et les produits WATTALPS
Le BMS WATTALPS peut équilibrer les cellules en charge partielle
Source : Review of battery cell balancing techniques
Comme nous l’avons vu précédemment, la pile à combustible est sensible aux températures basses du fait de la condensation et des risques de gel. Elle nécessite une source d’énergie externe pour notamment réchauffer certaines pièces. Une fois mise en route, la pile à combustible génère beaucoup de chaleur. Cette chaleur peut avantageusement être utilisée pour réchauffer la batterie et ainsi améliorer ses performances et sa durée de vie. Les batteries WATTALPS équipées d’un fluide caloporteur peuvent facilement récupérer les calories de la pile à combustible pour être maintenue en température.
Par ailleurs, la batterie est soumise à de forts appels de courant qui vont la faire chauffer. Aux températures élevées, il faut donc qu’elle soit également bien refroidie afin de garder les mêmes performances et une bonne durée vie.
Un système de thermalisation complet et performant de la batterie est donc nécessaire.
Pour plus d’information, voir notre TechLetter : La durée de vie des batteries lithium-ions
Batterie WATTALPS 400V équipée d’un réchauffeur et d’un refroidisseur
Enfin, dans un système pile à combustible, le choix du niveau de tension dépend de la puissance à fournir, de la surface des plaques bipolaires et des convertisseurs DCDC disponibles. La batterie doit pouvoir s’adapter à la tension retenue pour le bus de puissance et à la demande puissance de l’application. Le module WATTALPS, de faibles dimensions, associé au refroidissement batterie par immersion, permet de répondre à des cahiers des charges multiples sans avoir à concevoir à chaque fois une nouvelle batterie.
* Pour des commandes en quantité, la puissance peut être augmentée.