HYSYSPEM
Aperçu
Optimisation de systèmes d’énergie hybride avec des systèmes pile PEM multi-stacks pour application au transport lourd
DR Jean-Philippe POIROT
CEA-LITEN
Le projet HYSYSPEM ambitionne l’amélioration des systèmes hybrides piles à combustible PEMFC pour les applications de mobilité de forte puissance (camion, maritime, train, avion) avec une approche systémique. L’optimisation des architectures électriques et fluidiques dans une approche multi-stack modulaire sera réalisée à plusieurs échelles (système pile et système hybride) et sur les composants clefs (compresseur, topologies de convertisseur de puissance à des niveaux de tension de 800V à 1500V). Les améliorations du contrôle/commande au niveau local et les gestions d’énergie et de puissance au niveau de l’hybridation seront couplées à une approche de contrôle tolérant aux défauts au niveau des convertisseurs de puissance et de l’hybridation, afin d’assurer un niveau de fiabilité très élevé.
Mots clés:
Système Piles à combustible, Mobilité lourde, Durabilité, Architecture multi-stacks, Architecture résiliente, Système hybride PEMFC
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Optimisation des architectures systèmes piles et des composants systèmes clefs
Les architectures fluidiques au niveau des lignes air et hydrogène d’un système pile ont une influence décisive sur les performances et la durabilité de la pile. Le système va encore se complexifier avec l’utilisation de nouvelles architectures multi-stacks. Dans un souci de simplification, avec comme objectif de supprimer l’humidificateur sur les lignes air, des architectures de recirculation anodique seront étudiées en lien avec la durabilité du cœur de pile.
Un second objectif concerne l’amélioration du compresseur d’air. Celui-ci impacte en tout premier lieu le rendement du système pile et sa dynamique. Une nouvelle architecture de turbo-compresseur sera étudiée pour optimiser le rendement.
Un second objectif concerne l’amélioration du compresseur d’air. Celui-ci impacte en tout premier lieu le rendement du système pile et sa dynamique. Une nouvelle architecture de turbo-compresseur sera étudiée pour optimiser le rendement.
Nouvelles architectures multi-stacks pour la mobilité lourde
L’augmentation de puissance des systèmes hybrides pile nécessitera des architectures modulaires multi-stacks assurant un pilotage avec une excellente continuité de service. Le projet travaillera sur le dimensionnement optimal et le contrôle en ligne associé, qui nécessitent l’utilisation de méthodes d’optimisation spécifiquement adaptées à ces problèmes complexes.
Optimisation des topologies de convertisseurs de puissance et de leur contrôle pour les systèmes hybrides pile de forte puissance
Les convertisseurs de puissance électrique sont des briques essentielles pour connecter les stacks et piloter la gestion du système. Le projet HYSYSPEM permettra de définir les meilleures topologies de convertisseurs de puissance, pour les applications fortes puissances (tension bus DC entre 800 et 1500V) dans l’environnement d’un système hybride modulaire. Une interface importante entre les boucles de contrôle du convertisseur et la gestion de la puissance et de l’énergie au niveau système multi-stacks, sera étudiée
Diagnostic et contrôle tolérant aux défauts
Le projet HYSySPEM permettra aux convertisseurs de puissance de gagner en performance, durabilité et continuité de service. Ces objectifs pourront être atteints grâce à la mise en œuvre de topologies de convertisseurs à tolérance de pannes, qui pourront notamment exploiter la modularité liée aux systèmes multi-stacks. Ces topologies seront également associées au développement de nouveaux algorithmes de diagnostic de défauts, pouvant notamment être basés sur l’intelligence artificielle, afin d’être capable de détecter en temps réel les défauts et d’assurer la continuité de service du système.
Plateforme de validation semi-virtuelle
La partie méthode du projet HYSYSPEM sera fortement appuyée par une démarche de prototypage rapide pour les étapes de conception et validation. L’utilisation de plateformes XiL partagées entre partenaires du consortium, - Model in the Loop (MiL), Software in the Loop (SiL), Hardware in the Loop (HiL) - permettra de rationaliser et optimiser les outils et méthodes. Le projet HYSYSPEM s’adresse en priorité à la mobilité lourde, toutefois les recherches et développements porteront sur des outils génériques, versatiles et modulaires pouvant s’adapter facilement à différentes applications et échelles de puissance, ainsi qu’à différents fabricants.
Le consortium :
5 laboratoires académiques + CEA + IFPEN
Des attendus scientifiques
Les travaux feront appel à la conception de briques représentatives des éléments clefs et à la simulation, par une approche systémique. Ils permettront de démontrer que, pour les systèmes piles hybridés pour mobilité lourde, les objectifs suivants sont atteignables :
• Rendement du système pile supérieur à 65%
• Durée de vie supérieure à 20 000 heures
• Dynamique de réponse inférieure à 1 seconde
• Systèmes disponibles avec une continuité de service dans la fourchette [93%-99%].
A travers ces objectifs, le projet HYSYSPEM participera à la décarbonation du secteur de la mobilité lourde. Enfin, il permettra une forte dissémination scientifique avec un travail collaboratif renforcé entre les partenaires du consortium, à travers le co-encadrement de 7 thèses. Des workshops spécifiques ainsi qu’une école d’été permettront de participer à la formation des futurs ingénieurs et scientifiques des technologies de l’électrification avec le vecteur hydrogène.
• Rendement du système pile supérieur à 65%
• Durée de vie supérieure à 20 000 heures
• Dynamique de réponse inférieure à 1 seconde
• Systèmes disponibles avec une continuité de service dans la fourchette [93%-99%].
A travers ces objectifs, le projet HYSYSPEM participera à la décarbonation du secteur de la mobilité lourde. Enfin, il permettra une forte dissémination scientifique avec un travail collaboratif renforcé entre les partenaires du consortium, à travers le co-encadrement de 7 thèses. Des workshops spécifiques ainsi qu’une école d’été permettront de participer à la formation des futurs ingénieurs et scientifiques des technologies de l’électrification avec le vecteur hydrogène.
Impacts environnementaux
Les enjeux à moyen et long terme sont de contribuer à la décarbonation du secteur de la mobilité lourde tout en répondant aux problématiques d’autonomie et temps de recharge par un déploiement facilité.
Développement de compétences
Formation de 7 doctorants et 1 post-doctorant
Réalisations 2023
Sur la base d’une revue bibliographique sur les systèmes déjà intégrés dans les applications camion et maritime, les spécifications de systèmes typiques ont été élaborées, et des architectures de référence définies. Des premiers travaux sur l’optimisation des architectures électriques et fluidiques dans une approche multi-stack modulaire ont été entrepris à plusieurs échelles (système pile et système hybride) et sur les composants clefs (compresseur, topologies de convertisseur de puissance). Concernant la partie fluidique du système, l’analyse est focalisée d’une part sur l’impact de simplifications du système, par exemple la suppression de l’humidificateur d’air, et d’autre part sur la réduction des pertes de puissance au niveau de la compression de l’air. Concernant la partie électrique, les études se concentrent sur le développement d’architectures de puissance innovantes et flexibles adaptées aux systèmes multi-stacks, ainsi que sur la détection et l’analyse de défauts de certains composants clés de ces architectures.
