De l’hydrogène-énergie pour la mobilité lourde Application au banc d’essais mobile ECCE et à la traction ferroviaire

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23559
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De l’hydrogène-énergie pour la mobilité lourde Application au banc d’essais mobile ECCE et à la traction ferroviaire

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De l’hydrogène-énergie pour la mobilité lourde La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 48 De l’hydrogène-énergie pour la mobilité lourde Application au banc d’essais mobile ECCE et à la traction ferroviaire DANIEL HISSEL*, MICHEL AMIET** * Univ. Bourgogne Franche-Comté, Institut FEMTO-ST, Fédération FCLAB, CNRS, 90010 Belfort Cedex – daniel.hissel@univ-fcomte.fr ** Direction Générale de l’Armement, 60 Bd du Général Martial Valin, 75509 Paris Cedex 15 - xpert.amiet@gmail.com 1. Introduction Les véhicules électriques présentent des performances dynamiques largement supérieures à celles des véhicules mus par un moteur à combustion interne mais ils sont fortement pénalisés par leur autonomie. La DGA est donc particulièrement intéressée à tester les différentes structures et les composants d’un véhicule hybride de forte puissance. Cette démarche a conduit tout d’abord à la conception, à la construction et aux essais du Banc ECCE (Banc d’Evaluation des Composants d’une Chaîne Electrique), fruit d’une collaboration sous l’égide de la DGA entre des industriels et des laboratoires universitaires et publics. Le financement du projet, conçu en 1994 et concrétisé en 1998 par la signature d’une convention, a été apporté par la DGA, les collectivités régionales et locales de Franche-Comté et de Lorraine, les sociétés ALSTOM, AREVA et ARQUUS, les laboratoires FEMTO-ST, GREEN et LTE et la fédération FCLAB. Différentes évolutions du banc ECCE ont suivi ces premiers développements, jusqu’à l’installation d’une pile à combustible de forte puissance à bord (source permanente), aux côtés de supercondensateurs (source impulsionnelle) et de batteries (source transitoire). Cette même pile à combustible a également été évaluée sur un locotracteur (locomotive de manœuvres) en partenariat avec la SNCF. Les objectifs scientifiques visaient à identifier les contraintes d’association de ce type de sources et les modalités et stratégies de pilotage temps réel associées. D’un point de vue plus technologique, le choix de l’architecture électrique la plus adaptée au regard de l’usage, la définition des protections associées, ainsi que les questions normatives ont été particulièrement investigués. L’expérience acquise a ici été mise à profit pour des véhicules électriques à hydrogène, militaires et civils. 2. Présentation des travaux Le Banc ECCE a été conçu pour tester différentes solutions de génération et de stockage d’énergie électrique, diverses solutions de motorisation, mais également différentes solutions de gestion temps réel des flux énergétiques. Les contraintes de masse et de volume sont au second plan car il s’agit d’un laboratoire mobile. Compte-tenu de la taille et de la masse du véhicule, les puissances mises en jeu doivent donc être en conséquence. Nous nous intéresserons ici en particulier à l’architecture électrique associant système pile à combustible, supercondensateurs et accumulateurs électrochimiques (au Plomb en l’occurrence). Le schéma de principe de la figure 1 détaille l’architecture électrique du véhicule ECCE dans cette configuration. La structure présente quatre roues indépendantes donc sans liaison mécanique entre elles. La puissance nominale aux roues est de 4x30 kW. Au niveau du bus DC, le choix s’est porté sur une tension de V 270  . La tension de 540V correspond au 230/400V alternatif redressé. La tension du bus continu est fixée directement par les batteries et peut donc varier selon l’état de charge de celles-ci, entre 430 et 620 volts. Eu égard à la quantité d’énergie nécessaire et au coût des batteries, le choix s’est porté sur des batteries au plomb type énergie. 90 éléments (6V ; 98Ah) ont été mis en série pour former deux groupes et le point commun est relié à la masse du châssis. Résumé : L’hydrogène, vecteur énergétique dual à l’électricité, apparaît aujourd’hui comme une alternative crédible aux carburants d’origine fossile. Pour évaluer les potentialités de ce vecteur énergétique à échelle 1, la DGA s’est engagée pour faire évoluer le banc d’essai mobile ECCE, véhicule hybride de 13 tonnes, en participant à l’installation sur ce véhicule d’une pile à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) destinée à la propulsion du véhicule. Par ailleurs, la DGA a également expérimenté la même pile à combustible à bord d’un locotracteur, en partenariat avec la SNCF. Ces projets collaboratifs ont permis de maîtriser de nombreux aspects scientifiques et technologiques dans la conduite et le pilotage de véhicules hybrides à hydrogène associant sources d’énergie permanente, transitoire et impulsionnelle. De l’hydrogène-énergie pour la mobilité lourde La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 49 Les supercondensateurs permettent de stocker de l’énergie et de la restituer très rapidement. Ce sont donc des éléments de stockage d’énergie de type impulsionnel. Deux packs de 30F supportant chacun une tension de 270V sont mis en série et connectés au bus continu au moyen d’un convertisseur DC/DC. Les packs sont conditionnés avec les systèmes d’équilibrage et de refroidissement. L’énergie stockée dans les supercondensateurs est suffisante pour maintenir la tension du bus continu suite à un appel de puissance de 40kW pendant 9s. Le système pile à combustible (PAC) est composé de 2 stacks de type PEMFC de 110 cellules de surface active 760 cm². Chaque PAC est alimentée en air et hydrogène et est connectée au bus 540V via un convertisseur DC/DC. Sur la figure 2, on aperçoit à gauche le système PAC et au milieu les échangeurs eau-air pour le refroidissement (en effet, bien que le rendement électrique d’une pile à combustible soit très élevé, près de 50% de l’énergie produite l’est sous forme thermique). L’alimentation en hydrogène est obtenue au moyen d’un cadre de 6 bouteilles d’hydrogène comprimé (200 bars) installé à l’arrière des échangeurs. Des capteurs d’hydrogène ont bien entendu été installés pour garantir la sécurité en cas de fuite. Figure 2 : Vue du système PAC installé sur ECCE Un tel véhicule électrique hybride est un système complexe, dans lequel des flux d’énergie de différentes natures sont mobilisés. La question qu’il faut donc se poser est celle de la gestion (en temps réel généralement) de ces flux énergétiques. En effet, quelle que soit la qualité du dimensionnement initial du système hybridé, si cette gestion des flux énergétiques n’est pas appropriée, ses performances resteront limitées. La stratégie de gestion des flux énergétiques doit donc être choisie de manière à utiliser au mieux les performances et gérer les contraintes de chaque source énergétique disponible à bord. Ici, une stratégie de gestion, basée sur l’intelligence artificielle, a été retenue. La logique floue de type 2 a été retenue car elle présente l’avantage d’offrir la possibilité de manipuler l'incertitude explicitement ; autrement dit la logique floue de type 2 permet de modéliser et de minimiser l’effet des incertitudes sur le système. Il s’agissait, à l’époque de la mise en œuvre expérimentale sur le véhicule ECCE, d’une première mondiale dans le domaine du pilotage de véhicules électriques. L’idée générale de la gestion d’énergie proposée ici vise à augmenter la durée de vie globale du système hybride de fourniture énergétique, tout en garantissant, bien évidemment la fourniture énergétique demandée par la chaîne de traction. Pour ce faire, il s’est agi de : Respecter le bilan de puissances, en sollicitant en priorité les supercondensateurs (plus grande durée de vie), puis le système pile à combustible et enfin les batteries ; Répondre aux variations dynamiques de la demande énergétique en priorité par les supercondensateurs et limiter la dynamique en puissance sur le système pile à combustible pour préserver sa durée de vie ; Dans un état stationnaire, la puissance totale sera fournie par le système pile à combustible car c’est le système le plus rapidement et le plus aisément rechargeable ; Asservir l’état de charge des supercapacités à la vitesse du véhicule, pour permettre la plus grande récupération énergétique possible à vitesse maximale (l’état suivant étant généralement une décélération) et la plus grande fourniture possible à vitesse nulle (l’état suivant étant généralement une accélération) ; Limiter l’état de charge des batteries dans des valeurs déterminées. Les résultats expérimentaux obtenus (figures 3 et 4) soulignent la tenue de ces objectifs et la capacité de l’hydrogène-énergie à proposer une alternative crédible aux carburants conventionnels, y compris pour des véhicules de forte puissance. On note en particulier la répartition des puissances fournies, en termes de dynamiques, entre la pile à combustible, les batteries au plomb et les supercondensateurs. Figure 1 : Architecture électrique ECCE De l’hydrogène-énergie pour la mobilité lourde La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 50 Figure 3 : Essais de roulage d’ECCE en configuration PAC/Scap/Batterie. Figure 4 : ECCE en essais durant la phase d’évaluation de la chaîne de traction à hydrogène. Au-delà de cette expérimentation sur le véhicule ECCE, cette même architecture électrique à hydrogène a également été validée pour la propulsion d’un locotracteur de la SNCF (la figure 5 propose une vue de l’installation lors de la mise sur bogies). En effet, les locomotives hybrides de type série sont utilisées depuis fort longtemps mais le moteur diesel, dimensionné pour un trafic en ligne, est très polluant à faible vitesse comme pour des opérations de triage. La solution de locomotive hybride avec système de stockage d’énergie électrique et groupe électrogène à hydrogène de faible puissance est alors une solution. Des batteries et des supercondensateurs sont utilisés pour fournir l’énergie transitoire et l’énergie impulsionnelle. La pile à combustible se charge à nouveau de fournir l’énergie permanente. Là encore, les résultats obtenus à échelle 1 soulignent la capacité du vecteur hydrogène-énergie à apporter des solutions propres et efficaces pour la propulsion de véhicules électriques lourds. Ils soulignent également l’impérieuse nécessité de piloter les différentes sources énergétiques existantes à bord (permanente, transitoire, impulsionnelle), chacune en fonction de ses qualités propres. Figure 5 : Mise sur bogies du locotracteur hybride SNCF dans sa version hydrogène. 3. Conclusions et perspectives Soutenu notamment par la DGA, ce travail partenarial national a été remarquable et a permis de développer des solutions originales susceptibles d’être reprises sur de nombreuses applications, qu’elles soient militaires ou civiles. Il a également servi de base technologique et scientifique pour souligner l’intérêt et les potentialités du vecteur énergétique hydrogène-énergie pour des applications de mobilité lourde et permis de mettre en évidence l’efficacité et les performances de l’intelligence artificielle pour le pilotage en temps réel des flux énergétiques à bord de tels engins. Aujourd’hui, la concrétisation commerciale est en cours, notamment dans le domaine ferroviaire (locomotive I-Lint développée par ALSTOM), pour des solutions propres et alternatives à l’électrification (coûteuse) de lignes. 4. Bibliographie [1] Kauffmann, J.M., Hissel, D., Amiet, M., “ECCE véhicule hybride : du militaire vers le civil“, 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle, vol. 64, pp. 74-81, 2011. [2] Solano, J., Hissel, D., Péra, M.C., “Fail-Safe Power for Hybrid Electric Vehicles”, IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 13, n°2, pp. 34-39, 2018. [3] Hissel, D., “Systèmes hydrogène-énergie : De la science-fiction à la réalité industrielle“, Revue de l'Electricité et de l'Electronique, vol. 2018-2, pp. 4-9, 2018. 5. Remerciements Les auteurs remercient les (très) nombreuses personnes ayant collaboré aux différentes phases de cette étude, doctorants, ingénieurs, chercheurs, en provenance des sociétés ALSTOM, SNCF, AREVA, ARQUUS, de la DGA, des laboratoires FEMTO-ST- CNRS, FCLAB-CNRS, GREEN, LTE-IFSTTAR, CEA, LEMTA-CNRS. Ils remercient en particulier le Pr. Jean-Marie Kauffmann, qui a initié le développement du banc ECCE, au milieu des années 1990.