Introduction : Intérêts de l'hybridation

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L'un des intérêts de l'hybridation de systèmes PàC avec des batteries au lithium est de pouvoir utiliser ces batteries à la fois en décharge mais également en charge. En effet, il est relativement aisé de récupérer de l'énergie (lors de freinages par exemple) afin de recharger ces batteries et ce, dans le but d'accroitre le rendement énergétique global du système. Les voitures hybrides alliant un MCI et des batteries tirent avantage de cette récupération d'énergie. Sur un avion, il serait possible de faire de même en utilisant l'hélice comme frein aérodynamique et comme éolienne (dans le cas d'une propulsion électrique). Pour un tel système, le pas de l'hélice serait adaptable, comme cela existe déjà sur de nombreux modèles d'aéronefs. Il est également envisageable, dans le cas d'un train d'atterrissage tracteur (Figure 14), de récupérer l'énergie de freinage lors du roulage. Par ailleurs, lors des phases de faible consommation de puissance, la PàC peut servir à recharger les batteries. Une fois les batteries rechargées, la puissance disponible du système hybride est accrue par rapport à la seule puissance produite par la PàC. Dans ce cas, les batteries agiraient comme un tampon de puissance.

III.1.2.

Dans le cas des applications automobiles, l'hybridation PàC / batteries lithium permet d'améliorer le temps de réponse du système énergétique et d'assurer une réponse quasiment instantanée du système hybride [40,41]. De plus, la réponse de la PàC n'est pas optimale tant que celle-ci n'a pas atteint sa température de fonctionnement (70 °C à 90 °C), ainsi les batteries assurent les forts appels de puissance pendant les premières minutes après la mise en route du système. Dans le cas de la propulsion électrique d'un aéronef léger, cette situation a peu de chance de se produire. D'une part, les variations de puissance du moteur ne sont généralement pas trop soudaines : les vives fluctuations de puissance sont indésirables vis-à-vis de l'inertie du moteur et elles peuvent engendrer des effets aérodynamiques indésirables. D'autre part, les diverses opérations à réaliser entre l'allumage du système et le décollage demandent peu de puissance et laissent un temps suffisant pour la montée en température de la PàC. En revanche, dans le cas des applications de fourniture électrique à un avion de type gros porteur, les profils de consommation peuvent comporter des créneaux de puissance dus par exemple à l'allumage d'un élément fortement consommateur (un four, un éclairage, etc.). Dans ce cas, il se peut que la réponse temporelle de la PàC ne soit pas suffisamment rapide. Enfin, il est important de rappeler que la réponse temporelle d'un système PàC dépend fortement du fait qu'il s'agisse d'un système H2 / Air ou H2 / O2. En effet, dans le cas d'un système H2 / Air l'inertie du système est essentiellement due à celle du compresseur d'air. Ainsi, les systèmes H2 / O2 offrent des temps de réponse nettement plus courts.

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Comme expliqué précédemment, les batteries au lithium peuvent être utilisées comme tampon de puissance. Dans le cas d'un système hybride servant à la propulsion d'un aéronef léger, le profil de puissance nécessaire présente un pic lors du décollage et de la montée, suivi d’un palier, à une puissance de l'ordre de la moitié de celle nécessaire pour le décollage et correspondant à la croisière, comme illustré sur la Figure 18. Si la PàC est dimensionnée en fonction du pic de puissance, celle-ci est nettement surdimensionnée pour tout le reste du vol.

Figure 18 : Profil de puissance pour un vol type d'avion léger biplace comme ceux étudiés dans le cadre du projet APACHE. Rouge : puissance totale ; vert : puissance PàC ; bleu : puissance batteries ; 1

: essais système et montée en température de la PàC ; 2 : roulage ; 3 : décollage et montée initiale ; 4 : montée ; 5 : croisière ; 6 : descente et atterrissage ; 7 : roulage.

Les batteries au lithium ayant une puissance spécifique nettement supérieure à celle des systèmes PàC [42] (de l'ordre de quelques kW.kg-1 contre 10 à 100 W.kg-1), elles sont donc bien plus adaptées aux pics de puissance, alors que les PàC sont plus adaptées aux profils de puissance constants (leur énergie spécifique étant légèrement supérieure à celle des batteries au lithium). Un diagramme de Ragone issu du travail de Cai et al. [42] est présenté en Figure 19 et illustre cette différence entre PàC et batteries au lithium. L'aspect encombrement et masse du système hybride étant décisif dans le cadre des applications aéronautiques, il convient de tirer le meilleur parti de chaque technologie disponible.

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Figure 19 : Diagramme de Ragone issu de [42] (lignes pointillées : temps caractéristiques de décharge).

III.1.4.

Enfin, dans le cas de la propulsion d'un aéronef léger, un quatrième avantage d'hybrider un système PàC avec des batteries est la redondance des systèmes énergétiques. En cas de panne de la PàC, les batteries peuvent assurer l'alimentation des systèmes de bord (instruments de navigation) et du moteur pendant quelques minutes, laissant ainsi au pilote plus d'options que lors d'une panne de moteur thermique. Notamment en cas de panne au décollage, particulièrement dangereuse, les batteries permettraient un vol en niveau le temps d'effectuer une manœuvre vers le terrain le plus proche. Pour un avion à moteur thermique, la panne moteur au décollage est synonyme d'atterrissage forcé hors terrain et conduit malheureusement souvent à de graves dégâts matériels et humains.

III.2.