Dans un système hybride électrique, le constructeur du système doit s’assurer que les sources énergétiques couvriront l’ensemble des consommations électriques demandées par la charge. Le dimensionnement est une phase nécessaire pour tout système autonome afin d’identifier la puis-sance et la capacité nécessaires pour les différentes sources et autres dispositifs de conversion d’énergie et pour mieux répondre aux exigences du système, tout en tenant compte du lieu où ceux-ci sont installés et des coûts de construction du système suivant un profil de mission de pire cas.
Par exemple, pour un véhicule hybride électrique à pile à combustible/super-capacité, faut-il privilégier une grande capacité de la pile à combustible, tout en minimisant la capacité de la super-capacité ou l’inverse, au risque de subir des décharges très profondes qui impacteraient le bon fonctionnement de la super-capacité, ou bien dissiper le surplus d’énergie dans une ré-sistance sous forme de chaleur à cause du manque de capacité ?
Cette phase de dimensionnement a fait l’objet de plusieurs études offrant la possibilité aux constructeurs de bien dimensionner les systèmes électriques (Bernard et al., 2009). Cependant, un dimensionnement « optimal » nécessite une coordination avec une gestion d’énergie efficace pour identifier les références de courant optimales, les puissances minimales et maximales four-nies par chacune des sources et d’estimer la profondeur de décharge de l’élément de stockage, comme le montre la figure II.1.
L’équipe GSEP de l’université de Madrid travaille spécialement sur ce concept de dimension-nement en fixant la puissance minimale/maximale de la source principale (pile à combustible) afin de déterminer la nature et le dimensionnement des sources secondaires (Oliver et al.,2009). L’approche suivie consiste à se demander s’il est préférable d’utiliser une batterie et/ou une super-capacité et quelles seront leurs capacités, en tenant compte des coûts de construction et du poids des sources.
II.2 Dimensionnement des sources énergétiques
Dimensionnement Type et capacité des sources énergétiques (Puissance minimale/maximale, capacité de stockage, rendement, etc.) Gestion d’énergie Evolution de l’état de charge de l’élément de stockage, puissance min/max fournie par
les sources) Utili ser le ré su ltat d u dimension neme nt obtenu com me don née d’entré e p our le pr oce ss us de gestion d’éner gie Mise à jour du dimensionnement initial dim ensi onnem ent init ial Profil de mission de pire cas
Figure II.1 – Processus de dimensionnement par la gestion d’énergie
l’intégrer dans le processus d’optimisation relatif au dimensionnement de l’architecture hybride développée par cette équipe de recherche. Dans ce chapitre, nous considérons que le dimen-sionnement a été réalisé en amont d’après la thèse de Hankache (2008); Lachaize (2004), qui nous donne les capacités adéquates des sources embarquées dans le véhicule ainsi que leurs caractéristiques définies dans le cahier des charges (Tab. II.1 ci-dessous) :
Tableau II.1 –Caractéristiques des sources
Pmin
f cs Pmax
f cs Pmin
se Pmax
se SoEmin SoEmax SoE(0)
0 kW 70 kW −60 kW 60 kW 400 kW s 1600 kW s 900 kW s
où Pmin
f cs (resp. Pmax
f cs ) est la puissance minimale (resp. maximale) fournie par le système pile à combustible, Pmin
se (resp. Pmax
se ) la puissance minimale (resp. maximale) fournie ou récupérée par l’élément de stockage, et (SoEmin, SoEmax) correspondent à l’état d’énergie (charge) de l’élément de stockage, initialement définie à SoE(0).
Le système pile à combustible est composé de la pile à combustible elle-même et de l’ensemble de ses auxiliaires et du convertisseur unidirectionnel qui la relie au bus de distribution dimen-sionné pour une voiture hybride tout électrique. Plusieurs travaux et expérimentations ont été
Chapitre II. Stratégies et approches pour la gestion d’énergie dans les systèmes multi-sources
Figure II.2–Rendement du groupe électrogène Figure II.3 – Pertes énergétiques de l’élément de stockage
réalisés afin d’identifier le rendement du système pile à combustible selon les variations de la température et de la pression cathodique (Adegnon et al., 2009; Larminie et al., 2003). Dans notre étude, le calcul du rendement global du système pile à combustible est obtenu en utilisant la courbe de polarisation de la pile à combustible tension-courant (donnée par le constructeur, ou déduite par expérimentation), le rendement du compresseur d’air qui représente à lui seul 80% de la consommation totale de l’ensemble des auxiliaires de la pile et le rendement du convertisseur DC/DC (Hankache, 2008) .
La courbe de rendement résultante (Fig. II.2) montre que l’efficacité maximale de la pile à combustible, qui est contrôlée en pression, en température et en humidité, peut atteindre 46% pour une puissance fournie d’environ 24 kW . La tension du système pile à combustible dépend de plusieurs facteurs y compris la pression d’oxygène dans le compartiment cathodique. En augmentant ce flux, la tension de la pile augmente, améliorant ainsi son rendement. Mais, en augmentant davantage le débit d’oxygène, la puissance absorbée par le compresseur d’air aug-mente aussi, conduisant à une diminution des performances de la pile (le fonctionnement de la pile à combustible à plus forte pression accélère son vieillissement).
La chaîne énergétique du véhicule comprend également un élément de stockage composé d’un pack de super-condensateurs (super-capacité), assistant la pile dans les phases d’accélération afin d’obtenir un meilleur rendement de traction.
II.3 Modélisation mathématique
utilisant le rendement du convertisseur bidirectionnel « buck/boost » et, les pertes énergétiques de la super-capacité exprimées en fonction du courant Isc traversant sa résistance équivalente en utilisant sa résistance interne Rsc et sa capacité Csc Hankache (2008).