Dans cette nouvelle TechLetter, nous nous intéresserons à l'étude de cas d'une batterie dans un système de pile à combustible. Dans un véhicule à hydrogène, la pile à combustible produit de l'électricité pour puissance moteur électrique en consommant de l'hydrogène comme carburant. Il existe de nombreuses technologies de piles à combustible, mais nous nous intéresserons ici uniquement au cas des piles à combustible à hydrogène à basse température de type PEMFC.
Si les autonomies obtenues avec les véhicules électriques à batterie et les véhicules à pile à combustible sont assez similaires, le véhicule à hydrogène est ravitaillé ou rechargé beaucoup plus rapidement (en quelques minutes). Contrairement aux véhicules diesel ou essence, le véhicule à hydrogène ne rejette que de l'eau lorsqu'il est utilisé. La pollution liée à l'hydrogène n'est générée que lors de sa phase de production et dépend du procédé utilisé. Vous trouverez plus d'informations à ce sujet en consultant le rapport de l'ADEME .
Dans la pile à combustible, une réaction d'oxydoréduction se produit et permet de créer de l'électricité et de la chaleur. Il y a deux électrodes : une anode oxydante et une cathode réductrice séparées par un électrolyte central. Un réservoir spécifique alimente en continu la cathode en hydrogène. La cathode est alimentée en oxygène grâce à un compresseur d'air relié à l'air ambiant. La réaction oxyde l'hydrogène (en créant de l'eau) et libère des électrons. Ces électrons alimentent le circuit électrique en courant continu à une tension qui dépend du nombre de cellules élémentaires d'hydrogène connectées en série. Vous trouverez plus d'informations sur les sites web de H2SYS ou du CEA.
Source : https://www.h2sys.fr/fr/technologies/pile-a-combustible/
La pile à combustible est généralement associée à une batterie puissance « tampon » (comme illustré ici pour l'Audi h-tron). Les principales fonctions de cette batterie sont les suivantes :
- Fournir puissance , courants dans les applications mobiles, afin de niveler la puissance sur la pile à combustible. En effet, la dynamique du compresseur d'air est souvent trop lente pour répondre aux puissance importants des applications mobiles. Cela permet également de dimensionner la pile à combustible en fonction de puissance moyenne puissance non de puissance maximale, réduisant ainsi le coût global du système.
- Fonctionnement à basse température ( -20 °C) : Le fonctionnement d'une pile à combustible à basse température est complexe. La formation d'eau à puissance doit être limitée pour éviter le gel (et donc l'endommagement de la pile à combustible). De plus, les membranes doivent être légèrement humides au démarrage pour faciliter la circulation du courant. La batterie favorise le réchauffement de la pile à combustible en évitant le gel interne.
- Être aussi compact que possible tout en fournissant puissance maximale puissance haute tension. Comme on peut le voir sur le concept Audi h-tron présenté ci-dessous, de nombreux composants sont intégrés pour former un groupe motopropulseur complet et le volume dédié à la batterie est réduit.
- Activer la récupération d'énergie pendant les phases de freinage. En effet, les piles à combustible PEM ne sont pas réversibles et ne permettent pas de régénérer l'énergie cinétique pendant le freinage. L'ajout d'une batterie permet de réduire considérablement la consommation d'énergie du véhicule par ce moyen.
Source : https://www.automobile-propre.com/dossiers/differences-voiture-electrique-voiture-hybride-hydrogene/
Il existe plusieurs compositions chimiques permettant à cette batterie « tampon » de fonctionner. Vous trouverez plus d'informations sur les différentes compositions chimiques du lithium-ion dans notre TechLetter : Technologies d'électrodes positives au lithium-ion. WATTALPS propose 3 types de compositions chimiques pour les applications de piles à combustible : la puissance , la puissance et la longue durée de vie NCA :
- Le module Puissance a une longue durée de vie et des pics de charge disponibles plus élevés que les modules NCA, mais produit beaucoup moins d'énergie. Cette composition chimique ne contient ni nickel ni cobalt, ce qui peut constituer un avantage majeur dans certaines circonstances. Ce module est bien adapté aux applications hybrides nécessitant puissance de pointe élevée puissance charge et puissance décharge, mais une faible autonomie avec la batterie seule.
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- ⇒ Parfaitement adapté pour un système de pile à combustible puissance à pleine puissance => conception avec puissance maximale puissance la pile à combustible
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- Le module Puissance peut fournir des pics de décharge élevés et se recharger rapidement, tout en offrant une densité énergétique supérieure et un prix compétitif par rapport à des composés chimiques tels que le LTO, par exemple.
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- ⇒ Parfaitement adapté à un système de pilepuissance (50/50) et à un système de prolongateur d'autonomie (exigences accrues pour la batterie, la pile à combustible n'étant utilisée qu'au début pour prolonger l'autonomie).
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- Le module NCA longue durée est bien adapté aux applications hybrides rechargeables pour lesquelles la batterie doit fournir une autonomie suffisante sans utiliser d'hydrogène.
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- ⇒ Parfaitement adapté à un système de pilepuissance (50/50) et à un système de prolongateur d'autonomie (exigences accrues pour la batterie, la pile à combustible n'étant utilisée qu'au début pour prolonger l'autonomie).
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Pour répondre aux besoins spécifiques des applications de piles à combustible, les batteries doivent également être équipées d'un BMS dédié. Les batteries destinées aux piles à combustible sont souvent maintenues à un état de charge moyen et ne sont jamais complètement chargées. La majorité des batteries lithium-ion ont besoin d'une charge complète pour mettre en œuvre correctement deux fonctions importantes : l'équilibrage des cellules et l'étalonnage de l'état de charge. Si ces deux fonctions ne sont pas activées régulièrement, l'évaluation de l'état de charge dérivera et les performances de la batterie pourront être considérablement réduites. Le BMS de la batterie doit donc permettre l'équilibrage des cellules et le recalibrage de l'état de charge même si la batterie n'est pas complètement chargée, ce qui est rarement le cas pour les batteries disponibles sur le marché.
Vous trouverez plus d'informations sur un BMS répondant à ces exigences dans notre TechLetter : Les produits Full-BMS et WATTALPS.
Le BMS WATTALPS peut équilibrer les cellules à charge partielle.
Source : Examen des techniques d'équilibrage des cellules de batterie
Comme nous l'avons vu précédemment, le fonctionnement des piles à combustible pose des problèmes à basse température en raison du gel et/ou de la condensation. Une source d'énergie externe est nécessaire pour chauffer certains de leurs composants. Une fois mise en marche, la pile à combustible génère beaucoup de chaleur. Cette chaleur peut être utilisée de manière avantageuse pour maintenir la température de la batterie, améliorant ainsi ses performances et sa durée de vie. Les batteries WATTALPS équipées d'un système de thermisation liquide peuvent être facilement connectées à une pile à combustible pour remplir cette fonction.
De plus, la batterie est soumise à des pics de courant élevés qui la chauffent. À des températures plus élevées, la batterie doit être correctement refroidie pour conserver ses performances et sa durée de vie. Un système de thermisation complet et efficace est donc nécessaire. Pour plus d'informations, vous pouvez consulter notre TechLetter : Vieillissement des batteries lithium-ion.
Batterie WATTALPS 400 V équipée d'un chauffage et d'un refroidisseur
Enfin, dans un système de pile à combustible, le choix du niveau de tension dépend des puissance , de la surface de la plaque bipolaire et des convertisseurs CC-CC disponibles. La batterie doit s'adapter au niveau de tension sélectionné pour le groupe motopropulseur. Le petit module WATTALPS, associé à la technologie de refroidissement par immersion de la batterie, peut facilement s'adapter à de multiples exigences sans qu'il soit nécessaire de concevoir une nouvelle batterie.
* Pour les commandes volumineuses, la puissance être augmentée.
