Évaluez les performances énergétiques d'un véhicule électrique à pile à combustible grâce à la simulation de système

Découvrez l'intérêt du modèle de simulation multi-domaine d'un véhicule électrique à pile à combustible pour prévoir les interactions entre le groupe motopropulseur du véhicule, la pile à combustible et ses auxiliaires ainsi que les commandes.

 

Objectif

Dans le cadre de la tendance aux véhicules sans émissions, les équipementiers considèrent les piles à combustible comme un complément valable aux batteries, en particulier pour les véhicules nécessitant une longue autonomie sans recharges répétées.

Cependant, l'intégration de la pile et des équipements auxiliaires dans un véhicule n'est pas simple. Elle fait intervenir de nombreux éléments physiques et sous-systèmes en interaction qui doivent être parfaitement combinés avec des stratégies de contrôle optimales. afin d'atteindre les niveaux de performance requis et la plus faible consommation d'énergie tout en garantissant une grande fiabilité et longévité.

C'est pourquoi une approche basée sur la simulation de systèmes multiphysiques permet de prévoir et de mieux comprendre le comportement de la pile à combustible intégrée à ses systèmes d'alimentation en air et en hydrogène, ainsi qu'à ses systèmes de gestion de l'eau et de gestion thermique. 

Un nouveau modèle prêt à l'emploi a été développé dans Simcenter Amesim 2022.1. Il intègre les composants et sous-systèmes classiques des véhicules électriques à pile à combustible récents tels que la Toyota Mirai ou la Hyundai Nexo.

Le modèle comprend les sous-systèmes suivants :

• l'environnement du véhicule et le moteur électrique,
• le réseau électrique et la batterie,
• la pile à combustible,
• le système d'alimentation en air et son contrôle du côté de la cathode,
• la boucle de recirculation de l'hydrogène et son contrôle du côté de l'anode,
• le système de refroidissement de la pile.

Ce modèle permet d'évaluer la performance énergétique d'un véhicule électrique à pile à combustible avec une simulation du système : l'autonomie du véhicule, la performance énergétique du véhicule et la consommation d'hydrogène pour un cycle de conduite réaliste.

Description

Dans la partie gauche de l'esquisse, des composants sans port sont utilisés pour définir :

• les types de gaz dans les mélanges, les propriétés des gaz,
• les propriétés de l'eau liquide et les conditions de changement de phase de l'eau,
• les propriétés thermiques de la partie solide de la pile,
• les données du modèle de système de refroidissement (propriétés du liquide de refroidissement et conditions ambiantes).

Sur le côté droit de l'esquisse se trouve le modèle de véhicule électrique à pile à combustible. Il est composé de 6 sous-systèmes différents :

• Le véhicule et les contrôleurs de haut niveau :
  • le conducteur et le cycle : la composante "conducteur" est utilisée pour prévoir l'accélération du conducteur et la commande de freinage afin de réaliser le scénario. La fenêtre de paramétrage du composant conducteur permet de définir différents cycles de conduite, avec ou sans pente. Dans cette démonstration, nous avons choisi le cycle WLTC. Il comprend la conduite en ville, en banlieue et sur autoroute avec une dynamique de vitesse représentative des conditions réelles.
  • le contrôleur du moteur et du frein : il calcule le couple moteur requis pour assurer l'accélération. Il donne également la commande de freinage nécessaire au véhicule pour suivre le cycle de conduite.
  • le châssis et l'environnement : la composante véhicule est utilisée pour évaluer l'accélération et la vitesse de la voiture en fonctionnement tout au long du scénario. Cette vitesse dépend principalement du couple de la machine électrique, des forces de résistance appliquées au véhicule et de la masse du véhicule.
  • le moteur de traction : le modèle de moteur fournit au groupe motopropulseur le couple requis calculé dans l'unité de contrôle du véhicule (VCU). Un rapport de transmission est appliqué entre le moteur électrique et les roues.
  • le contrôleur de la pile à combustible : en fonction de la demande de puissance du véhicule et des seuils d'état de charge définis dans le contrôleur de la pile à combustible, il décide qui, de la pile à combustible ou de la batterie, fournit de l'énergie au système.

• le circuit électrique :
  • un bus haute tension de 245 V où la batterie HV alimente la pompe à liquide de refroidissement.
  • un bus de suralimentation de 650 V où sont branchés la pile à combustible, le compresseur d'air et le moteur de traction. Un convertisseur DCDC relie ces deux bus entre eux.
  • un bus basse tension 12 V où la batterie à basse tension alimente le ventilateur du radiateur.

Notez que le freinage par récupération, via le moteur de traction, est pris en compte dans le modèle. La stratégie de contrôle de la pile/batterie peut être modifiée dans le contrôleur de la pile à combustible. Il est également possible de développer son propre modèle de contrôle en utilisant la fonctionnalité StateChart ou le couplage avec un modèle de contrôle développé dans un autre environnement de simulation.

• la pile à combustible : elle évalue la tension de la pile en tenant compte du courant, de la température et des conditions de fonctionnement à la cathode et à l'anode. Le sous-modèle électrochimique avec 2 composantes de diffusion est défini de manière à ce que la tension de la pile puisse dépendre des conditions des espèces réactives aux électrodes. Il prévoit également les débits molaires des produits et des réactifs dus à la réaction chimique et modélise le transport de l'eau à travers la membrane. Le comportement thermique dynamique de la pile est prévu en considérant une capacité thermique unique pour la membrane et les plaques bipolaires. Il résulte de l'équilibre entre la chaleur générée par la pile à combustible et la chaleur évacuée de la boucle de refroidissement. La demande de puissance du moteur de traction entraîne le fonctionnement de la pile à combustible via un convertisseur CC-CC connecté au circuit électrique haute tension.

• le système d'alimentation en air
  • le contrôleur du compresseur : il calcule le couple nécessaire au moteur électrique alimentant le compresseur pour garantir l'objectif de stœchiométrie de l'O₂.
  • le compresseur d'air : il fournit le débit massique d'air nécessaire au composant de la pile afin de respecter l'objectif de stœchiométrie. La puissance est fournie par un moteur électrique qui délivre la vitesse de rotation nécessaire pour assurer le débit massique demandé.
  • l'humidificateur à membrane : il est utilisé pour humidifier l'air sec entrant grâce à l'air humide provenant de la sortie de la pile.
  • le côté cathode de la pile : il est modélisé par deux chambres de mélange de gaz séparées par une composante de diffusion. Elles modélisent respectivement la composition du mélange gazeux dans les canaux et à la cathode. La composante diffusion modélise la diffusion à travers la couche de diffusion des gaz (GDL)

• la boucle de recirculation de l'hydrogène
  • le réservoir : l'hydrogène est fourni à la boucle anodique grâce à un réservoir à haute pression. Un régulateur de pression intermédiaire réduit la pression. Un éjecteur permet enfin d'obtenir le débit molaire de H₂ nécessaire.
  • le côté anode de la pile : il est modélisé par deux chambres de mélange de gaz séparées par une composante de diffusion. Elles modélisent respectivement la composition du mélange gazeux dans les canaux et au niveau de l'anode. La composante diffusion modélise la diffusion à travers la couche de diffusion des gaz (GDL)
  • un séparateur d'eau : un modèle fonctionnel est utilisé pour éliminer l'eau liquide du mélange du côté de l'anode.
  • une vanne de purge : lorsque la fraction molaire d'azote est supérieure à une valeur cible, cette vanne s'ouvre. Elle gaspille certains réactifs hydrogène mais évite la dilution du H2 qui diminue les performances de la pile.

• le système de refroidissement : le système de refroidissement est utilisé pour réguler la température de la pile. Une pompe est utilisée pour générer le flux de liquide de refroidissement (mélange d'eau et de glycol) dans la boucle de refroidissement. Lorsque la température du liquide de refroidissement dépasse un certain seuil, le thermostat commence à s'ouvrir et libère le liquide de refroidissement dans la branche du radiateur. Un second seuil déclenche le ventilateur lorsqu'une puissance de refroidissement supplémentaire est nécessaire.

Performances des véhicules et des groupes motopropulseurs

Le modèle complet vous permet d'évaluer les performances énergétiques d'un véhicule électrique à pile à combustible avec la simulation du système.

Le 1^er graphique indique la demande de vitesse du cycle de conduite et la vitesse du véhicule calculée à l'aide du modèle de véhicule. Les deux courbes s'emboîtent presque parfaitement l'une dans l'autre, ce qui signifie que le véhicule suit le cycle de conduite.

Le 2^ème graphique montre l'autonomie du véhicule et l'état de charge de la batterie. L'état de charge de la batterie n'est pas exactement le même qu'à l'étape initiale. L'autonomie du véhicule peut donc être légèrement différente si l'on tient compte de la variation d'énergie de la batterie au cours du cycle.

Le 3^ème graphique indique la stratégie de contrôle entre la pile à combustible et la batterie pour fournir la puissance demandée à l'ensemble du circuit. La pile fournit l'énergie nécessaire au moteur de traction et la batterie aux auxiliaires. La batterie est chargée par la pile lorsqu'aucune puissance n'est demandée pour la traction et récupère de l'énergie lors du freinage par récupération.

Le graphique en haut à gauche indique le couple du moteur de traction par rapport à la demande de couple du contrôleur de moteur.

Le graphique en haut à droite indique la puissance mécanique du moteur utilisée pour déplacer la voiture tout au long du cycle de conduite et les pertes correspondantes du moteur.

Le graphique en bas à gauche indique la vitesse du moteur de traction.

Le graphique en bas à droite indique la tension et le courant dans le moteur de traction.

 

Performances de la pile

Le graphique en haut à gauche indique les points de fonctionnement de la tension de la pile en fonction de la densité de courant. Voici un aperçu de la courbe de polarisation de la pile à combustible à des densités de courant faibles/moyennes et dans différentes conditions de fonctionnement.

Le graphique en haut à droite indique la puissance de la pile et les pertes thermiques dues à la réaction. La puissance maximale de la pile délivrée pendant le cycle de conduite est également représentée.

Le graphique en bas à gauche indique la température de la pile et du liquide de refroidissement dans la boucle de refroidissement. La température du liquide de refroidissement est inférieure à la température de la pile. Cela est dû au fait que l'échange de chaleur entre la pile et le système de refroidissement n'est pas idéal.

Le graphique en bas à droite indique la teneur en eau de la membrane et la résistance spécifique aux protons de la membrane. Plus la teneur en eau de la membrane est faible, plus la résistance de la membrane est élevée et plus la chute de tension ohmique est importante.

Côté cathodique

Le graphique en haut à gauche  indique le débit massique de l'air entrant dans la pile par rapport au débit massique de l'air demandé par le contrôleur de débit massique de l'air.

Le graphique en haut à droite montre le rapport de pression du compresseur en fonction du débit massique corrigé. La courbe est superposée à la carte colorée de l'efficacité du compresseur et aux isolignes de vitesse corrigées du compresseur. Plus la caractéristique du circuit et l'efficacité du compresseur suivent la ligne, plus l'efficacité du compresseur est élevée. Par conséquent, plus l'augmentation de la température de sortie est faible.

Le graphique en bas à gauche indique la pression, la température, la température d'entrée et la température de rosée d'entrée à la cathode. La température de rosée étant la température à laquelle l'eau commence à être en phase liquide, il est cohérent d'observer une température de la pile supérieure à la température de rosée.

Le graphique en bas à droite indique la fraction molaire des espèces à la cathode. La fraction molaire de l'O₂ est inférieure à la fraction molaire de l'O₂ à l'entrée de la pile en raison de la réaction chimique.

Côté anodique

Le graphique en haut à gauche indique la consommation de H₂ par km le long du cycle de conduite.

Le graphique en haut à droite indique la consommation de H₂ en g et la masse de H₂ dans le réservoir pendant le cycle de conduite. Comme prévu, la consommation de H₂ est égale à celle de H₂ qui a quitté le réservoir.

Le graphique en bas à gauche indique le pourcentage de H₂ perdu par les purges en fonction du cycle d'entraînement.

Le graphique en bas à droite indique la fraction molaire des espèces à l'anode. La fraction molaire de N₂ oscille entre un seuil haut et un seuil bas correspondant respectivement aux conditions de démarrage et d'arrêt de la purge.

 

Consommateurs d'électricité

Le graphique en haut à gauche montre la puissance consommée par les auxiliaires tout au long du cycle de conduite.

Le graphique en haut à droite indique la répartition de la puissance dans l'ensemble du système tout au long du cycle de conduite.

Le graphique en bas à gauche indique la distribution de l'énergie consommée par les auxiliaires. Le compresseur semble être le principal consommateur.

Le graphique en bas à droite indique la distribution de l'énergie dans l'ensemble du système. 58 % de l'énergie est convertie en électricité par la pile. L'autre partie est transformée en chaleur ou utilisée par des auxiliaires.

Conclusion

Nous avons illustré ici comment évaluer la performance énergétique d'un véhicule électrique à pile à combustible à l'aide d'une simulation de système et comment simuler le comportement physique d'un système de pile à combustible intégré dans un véhicule électrique à pile à combustible. L'évaluation virtuelle des choix de conception permet d'évaluer les performances du système et ses contrôles relatifs. Elle permet également de mettre en évidence les faiblesses et les améliorations nécessaires. L'intérêt d'un tel modèle réside dans sa capacité à prévoir les interactions entre le groupe motopropulseur du véhicule, la pile à combustible et ses auxiliaires, ainsi que les commandes.

Par Antoine Lepoil et Benoit Honel

Aller plus loin

• Webinaire à la demande "Évaluer les performances des systèmes de piles à combustible à l'aide d'une approche basée sur la simulation", avec nos experts Siemens et Jules Sery d'IFP Energies Nouvelles
• Témoignage client "OMB Saleri utilise Simcenter pour prévoir le comportement des vannes et développer rapidement des produits innovants"
• Article de blog "Simulation de la production d'hydrogène vert dans le Simcenter Amesim"
• Article de blog "Assurer la sécurité de la mobilité hydrogène"
• Document technique "Système embarqué d'utilisation de l'énergie froide de l'hydrogène liquide pour un camion hybride à pile à combustible de gros tonnage"