Les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (VEH-FC)

Les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (VEH-FC)

Problématique

La littérature nous apprend que la P AC de type PEM est sensible aux conditions extrêmes de température [11][12][13]. En effet, quand la pile est en fonctionnement dans les conditions thermiques normales (température d’opération largement supérieure à celle du point de congélation), la réaction électrochimique qui a lieu dans la cellule produit un mélange liquide et de la vapeur d’eau. Cependant, l’eau gèle lorsque la température interne se trouve en dessous du point de congélation. La présence de cristaux de glace sur les membranes des cellules de la P AC réduit son efficacité à produire du courant en plus de sa durabilité. L’implantation des véhicules à PAC de type PEM dans les systèmes de transport pour de régions géographiques où la saison d’hiver est très longue et très froide (le climat québécois par exemple, voir figure 2), nécessite la mise au point de solutions fiables et efficaces pour le démarrage à froid ainsi que pour la réduction des risques de dommages irréversibles (dans la section 2.2.1, ce sujet sera abordé).

En effet, après une exposition de la P AC à température au-dessous de zéro degré pendant une durée considérable sans fonctionnement, la température interne de la P AC descend lentement ou rapidement selon les caractéristiques des couches d’isolation thermique implantées. Cette décroissance de la température favorise la formation de cristaux de glace sur les membranes à partir de l’eau résiduelle produite pendant la phase de fonctionnement antérieure. Ceci peut aussi entraîner des difficultés pour le transport de masses et probablement faire échec au procédé de démarrage du système subséquent. . Plusieurs travaux sur l’impact de températures trop froides sur la performance des piles du type PEM ont rapporté des dégradations irréversibles dans plusieurs de leurs composants structurels, la formation de glace. L’expansion du volume des matériaux des cellules sous le point de congélation est une des raisons de la dégradation accélérée de la PAC [14].

Il est important de maîtriser le problème de démarrage à froid de la P AC en y apportant des conditions prévenant la formation de glace [15][16]. Dans les applications réelles, les constructeurs de voitures de type PREV -FC prennent des mesures préventives en implantant des mécanismes d’assistance au démarrage par l’entremise de système de chauffage d’appoint pour minimiser la dégradation de la pile. Ces systèmes utilisent l’énergie préalablement stockée dans les batteries pour fonctionner. Leurs rendements sont difficiles à évaluer en raison de leurs modes de fonctionnement basés sur l’expertise du constructeur. Ainsi toute forme d’ inefficacité prive le véhicule d’une partie de son énergie de motricité. Le premier problème abordé dans le projet de recherche concerne donc la mise au point d’une méthode efficace d’assistance thermique permettant de préparer la P AC à démarrer convenablement. Lorsque la P AC est opérationnelle, son rendement augmente en fonction de la température [17].

Peu de travaux se sont attardés sur les méthodes efficaces permettant d’élever rapidement la température de la PAC. C’est pourquoi un second problème concernant la détermination du profil de courant pour une élévation rapide de la température de la PAC est défmi dans le projet de recherche. Une fois que sa température atteint sa valeur optimale de fonctionnement, le problème de régulation thermique a été largement traité et documenté. Le problème de régulation ne sera pas traité dans ce projet. Cependant, nous avons sélectionné une méthode robuste et simple lors de l’élaboration de la stratégie globale de la gestion thermo énergétique du véhicule. La nécessité de disposer de temps afin de préparer la P AC à démarrer convenablement entraîne une complexité additionnelle dans le module de gestion énergétique de l’ensemble batterie-PAC. En effet, ce module devrait être en mesure d’anticiper le moment où la contribution de la P AC est requise de manière à laisser du temps pour le démarrage à froid de la PAC. Le troisième problème étudié dans ce projet concerne donc la gestion anticipative de la PAC sous le point de congélation lorsqu’elle est utilisée sur un véhicule de type PHEV -Pc.

Objectifs

L’objectif principal est de proposer une nouvelle stratégie globale de gestion thermo énergétique d’une PAC sur un véhicule hybride rechargeable en considérant un démarrage à froid efficace. Cette stratégie devrait permettre un contrôle optimisé de la température de la P AC, en cherchant les meilleures performances électriques et en tenant compte des limitations physiques et temporelles de tous les modules énergétiques impliquées. Le but ultime est donc d’augmenter l’efficacité sur route du véhicule et de prolonger la durée de vie de la PAC. Les sous-objectifs suivants sont définis en fonction des problématiques cidessus préalablement identifiées:

1. Le développement d’une stratégie et d’un algorithme de contrôle de température pour le prédémarrage d’une pile à combustible de type PEM : cette stratégie doit considérer une méthode optimisée pour chauffer la pile à partir d’une source de chaleur auxiliaire, l’impact de la température extérieure sur l’évolution thermique de la pile et les contraintes opératoires imposées par le système de gestion énergétique P AC- batterie. Ces contraintes opératoires sont le temps prévu pour mettre à contribution la production de la PAC et l’énergie totale qu’elle doit fournir afin de permettre au véhicule d’arriver à destination.

2. L’analyse et le développement d’une méthode optimisée permettant à la température de la PAC d’augmenter rapidement pour atteindre sa valeur de rendement maximal. Dans cette étape, l’impact de la température sur le rendement transitoire sera analysé ainsi que la recherche du profil de puissance optimal permettant à la température de la P AC de croître rapidement avec peu d’apport calorifique externe.

3. Le développement d’une stratégie globale de gestion thermo énergétique du véhicule hybride et rechargeable: cette stratégie doit gérer toutes les phases de fonctionnement de la P AC, Y compris la régulation thermique lorsque sa température atteint sa valeur nominale. Par ailleurs, la stratégie doit tenir compte du temps requis pour préparer la P AC au démarrage à froid. Par ailleurs, les différents phénomènes d’échange de chaleur qui ont lieu dans la pile seront considérés pour augmenter la performance du contrôleur.

La pile à combustible et les basses températures

Les études orientées sur la modélisation des P AC sont assez complexes en raIson notamment de l’interaction des phénomènes électriques, chimiques, thermiques et fluidiques à l’intérieur des cellules. Ces modèles sont limités dans leurs capacités à décrire fidèlement le comportement de la P AC sous certaines conditions (régime transitoire rapide observé durant la mobilité du véhicule, démarrage efficace sous le point de congélation). Parmi les différents défis qui restent à surmonter figure le démarrage rapide et efficace de la PAC sous le point de congélation. En effet, l’eau produite pendant le fonctionnement gèle lorsque la température ambiante est sous le point de congélation. Cet état de gel a pour effet de réduire la capacité de la P AC à redémarrer subséquemment et de réduire sa durée de vie. C’est pour cette raison que nous avons choisi d’analyser la problématique de démarrage à froid d’une PAC où des stratégies novatrices seront proposées et que seront par la suite évaluées expérimentalement.

Ainsi, la gestion thermo énergétique d’une PAC dans le contexte d’un véhicule hybride est le composant central de notre projet de recherche Les études et travaux relatifs au démarrage à froid des piles du type PEM mettent en exergue deux défis principaux: la capacité d’un démarrage rapide et la réduction des détériorations irréversibles inhérentes à l’utilisation dans des conditions thermiques adverses, spécialement quand la température interne initiale est sous le point de congélation de l’eau.

Parmi les propositions, les plus remarquables sont des solutions portant sur les modifications structurelles au niveau de la fabrication, de la conception globale de la P AC et de ses accessoires [24]. À cet effet, de nouveaux matériaux, mécanismes et procédés dédiés au démarrage sont déjà enregistrés sous forme de brevets d’invention par les grands fabricants de voitures à P AC. Du côté académique, la documentation scientifique publiée est limitée principalement aux études sur le comportement thermo énergétique de la P AC à températures très basses [25]. Les efforts sont déployés spécialement pour la modélisation des phénomènes reliés à la formation de glace dans les cellules et pour les expériences destinées à l’estimation de dommages au niveau de l’ensemble membrane-électrodes (MEA).

Par ailleurs, il y a des travaux expérimentaux qui montrent les possibilités de démarrage à partir de températures basses, sous le point de congélation de l’eau [26]. Cependant, la plupart de ces études concluent principalement que pour maximiser la durée de vie de la PAC et réduire la probabilité d’un endommagement total ou partiel pendant le processus de démarrage, il est fortement suggéré d’éviter un démarrage brusque sous le point de congélation et de prendre des dispositions afm d’emmener la température de la PAC à l’intérieur de sa plage de fonctionnement avant de tirer du courant électrique [12].

Table des matières

Résumé
Remerciements
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des sytnboles
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Contexte général du projet de recherche
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Méthodologie
1.5 Organisation du Mémoire
Chapitre 2 – L’état de la recherche
2.1 Les véhicules électriques hybrides à pile à combustible (VEH-FC)
2.2 La pile à combustible et les basses températures
2.2.1 Études,sur la détérioration irréversible
2.2.2 Études sur les méthodes de chauffage
2.2.3 Études des stratégies pour le démarrage à froid ..
2.3 Analyses et synthèse des revues
Chapitre 3 – Algorithme de démarrage à froid de la P AC
3.1 Introduction
3.2 L’architecture contrôle du FC-PREV
3.1 Stratégie de démarrage à froid de la pile
3.2 Phase de préchauffage de la PAC
3.2.1 Estimation du temps de chauffage de la pile par une source thermique externe
3.2.2 Prédiction du temps de démarrage de la PAC
3.3 Phase d’auto-chauffage de laPAC
3.3.1 Profil optimal de courant
3.3.2 La commande optimale
3.3.3 Formulation du problème
3.3.4 Solution du problème d’optimisation
Chapitre 4 – Expériences et simulations ..
4.1 Validation du modèle avec la pile Hyteon
4.1.1 Objectif de l’expérimentation
4.1.2 Configuration du système expérimentale
4.1.3 Scénario de test
4.1.4 Résultats expérimentaux et de simulation
4.1.5 Analyse de la dynamique thermo énergétique de la P AC du banc d’essai
4.2 Contrôle thermique de la pile à combustible Mobixane sur le véhicule Nemo
4.2.1 Caractérisation thermique de la pile Mobixane
4.2.2 L’impact du procédé de démarrage sur la température interne de la pile
4.2.3 Surveillance thermique de la PAC
Chapitre 5 – Conclusion
Bibliographie
Annexe A – Résolution du système d’équations du modèle thermique de la PAC
Annexe B -Coefficient d’échange thermique par convection forcée de la pile à combustible

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