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Contribution au pilotage d’une pile à combustion embarquée

COPPACE

ETUDE

La Pile A Combustible (PAC) est envisagée comme source d’énergie autonome à bord de véhicules ferroviaires (Tramway, Loco-Tracteurs) et bus. Une PAC à bord d’un tel type de véhicule ne peut être utilisée qu’associée à un Système de Stockage d’Energie (SSE) tel que Batteries, Supercapacités, Volant d’Inertie.

Les questions ouvertes sont :

- Choix du carburant et des technologies de stockage

- Disponibilité et maturité (fiabililité, durée de vie,...) des PAC

- Mode de pilotage PAC optimisé pour le transport

- Gestion d’énergie véhicule optimisée

- Contraintes liées à l’embarquement d’une PAC et du stockage de carburant à bord d’un véhicule

- Modélisation et simulation complète des véhicules hybrides à PAC

- Banc d’essai pour valider les modèles numériques de simulation de véhicules hybrides à PAC.

 Le projet COPPACE vise à identifier les technologies et les choix de constitution du système d’énergie PAC/ SSE les plus judicieux pour les applications de traction ferroviaire ou bus.

Année d'élaboration :

2005

Origine (géographique, historique, économique, sociale…) :

PREDIT - groupe opérationnel n° 10

Méthodologie

La répartition des travaux a été la suivante : ·

* Le CEA a étudié les types de carburants (hydrogène et autres) et leur technologies de stockage à bord (sous pression, cryogénique, hydrures métalliques),

*  L'Enseeiht a travaillé sur le sous-système PAC et ses auxiliaires : stack de pile, alimentation air et carburant, contrôle commande.

*·Alstom Transport a défini les besoins et contraintes d'utilisation des PAC. Alstom Transport a réalisé les simulations véhicules, le banc d'essai industriel ainsi que le management du projet. Des travaux d'optimisation ont été menés avec un laboratoire américain.

Financement - Ressources

PREDIT convention 01 MT 07

Résultats

Types de Carburant et de stockage : ·

* L'hydrogène est le combustible le plus adapté avec un stockage sous pression (500-600 bars étant l'optimum)

Modélisation et dimensionnement des composants :

* PAC : modèle physique dynamique détaillé réalisé par le CEA.

* PAC : modèle comportemental (issu de la simplification du modèle physique CEA) et commande associée (mutivariable et découplante) A l'issue du projet (Janvier 2004), la technologie PAC n'est pas jugée suffisamment mature (durée de vie, prix, offre industrielle,...) pour envisager à très court terme les applications étudiées. ·

* Convertisseurs de puissance 

    - Développement d'un hacheur survolteur monodirectionel pour PAC

    - Développement d'un hacheur survolteur-dévolteur bidirectionnel pour les SSE.

 * SSE Développement des modèles électrique, thermique et mécanique (masse, volume embarquables) des différents Systèmes de Stockages d'Energie : Batteries, Supercapacités, Volant d'inertie Les batteries ne semblent pas le meilleur moyen de stockage car la PAC est plutôt une source d'énergie. Les supercapacités et les volants d'inertie sont plus adaptés à ces applications. Un SSE composé de deux technologies (par ex : volant et supercapacités) permettrait de parfaitement correspondre au besoin en énergie et puissance du SSE.

* Modèles véhicules et leur cycles d'usages :

Implantation du Logiciel Advisor de simulation de véhicules hybrides. Développement de modèles de PAC, SSE et de plusieurs Stratégies d'Energie permettant :

   - le dimensionnement des organes des chaînes de traction,

   -  l'optimisation dans le choix des technologies SSE, le choix des stratégies d'énergie et leur réglage grâce à des comparaisons de configurations de chaînes de traction étudiées sur différents cycles d'usage pour Bus, Tramway, Loco-tracteur.

* Stratégie d'énergie.

Le projet a permis de démontrer les points suivants

   -  la stratégie d'énergie sert une cible technico-économique visée pour le véhicule (par ex : minimisation de la consommation, minimisation de la maintenance ou du coût d'acquisition). Par conséquent de nombreuses stratégies d'énergies sont possibles.

   - La stratégie d'énergie optimale est aussi corrélée à la technologie SSE retenue.

Moyens d'essais et Essais ·

* Conception et Construction d'un Banc d'Essai PAC et de chaîne de traction hybride Ce banc permet le test de PAC de très forte puissance (jusqu'à 200 kW) ainsi que l'essai de SSE sur des chaînes de traction de puissance non limitée (ex : tramway 900 kW). 

* Acquisition et essai d'un pack de supercapacités (450 kW; 0,55 kWh). Ces essais ont permis de confirmer les performances électriques, thermiques et mécaniques simulées. ·

* Campagne de test sur le tramway de Lyon. Ces essais ont permis de valider les simulations véhicule sous Advisor et de confirmer les hypothèses d'utilisation véhicule dans son exploitation commerciale courante.

Contacts

  • Nom/Titre : Laurent Nicod, Rue du Docteur Guinier - : 05.62.53.48.57
  • Organisme : ALSTOM Transport SA
  • Adresse : Rue du Docteur Guinier, B.P. 4 - 5600 SEMEAC
  • Contact ministère : Michel Muffat - Tél : 01 40 81 14 16 ; Fax : 01 40 81 14 44 - Tour Pascal B, 92055 Paris La Défense cedex 04