Contraintes thermiques autour d un système pile à combustible embarqué sur un véhicule 5 Avril 2006

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1 Ingénierie Véhicule Direction de la Recherche Contraintes thermiques autour d un système pile à combustible embarqué sur un véhicule 5 Avril 2006 Robert YU, Gérard OLIVIER, Pascal ARCHER

2 Sommaire! 1 Introduction! Système PàC de traction avec reformeur embarqué! Thermique du Module de Puissance, des organes de traction électrique, et de l habitacle! 2 Module de puissance PàC, véhicule! Puissance, Température! Contraintes Véhicule: taille du radiateur, débit d air! Liquide de refroidissement à faible conductivité électrique, compatibilité matériaux! Démarrage à froid, et température négative! 3 Composants traction électrique! Moteur électrique, électroniques de puissance! Batteries! 4 Confort thermique! Chauffage et climatisation! 5 Conclusion et Perspectives 2 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

3 Introduction 3 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

4 1. Introduction: thermique véhicule PàC Confort thermique: - Chauffage - Climatisation Véhicule et Environnement: -Radiateur -Débit d air -Froid: -18 C -Chaud: 45 C Module de puissance: - Stack et Ras à refroidir - Récupération de l eau - Mise en action et démarrage à t négative Traction électrique: - machines électriques - électroniques de puissance - batteries 4 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

5 Module de puissance et véhicule 5 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

6 2. Module de Puissance: Rôles du système de refroidissement T ext air Compresseur Liquide de refroidissement Radiateur Carburant Reformeur H 2 Stack H 2 O Chauffage de l habitacle Refroidissement de gaz Refroidissement et chauffage du stack Récupération de l eau 6 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

7 2. Problématique: Puissance et température 120 à refroidir exemple à Pmax Véhicule PàC 65 Kw Température 200 C 150 C Ts C 60 C RAS1 Pré-A 60kw Haute T C (>Ts) Stack RAS BP2 RAS BP2 60kw Basse T C (<Ts+10 C) Condenseur Condenseur r Cathode Cathode Anode Puissance kw Véhicule Conventionnel Cas moteur Diesel 65kw T C 400 C 110 C 45 kw à refroidir 50 kw 40kw, 110 C Moteur thermique RAS Gaz d échappement 50kw, 400 C Evolution: EGR Puissance élevée, température faible Puisance kw Radiateur 3X+performant 7 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

8 2. Remarque sur l échange thermique à basse t C P évac = hs eau-air (Te eau -Te air )= (QCp) air (T s -T e ) air (QCp) T air (kw) Teau=100 C Ts.air Te air 60 kw Te eau Tair entrée Puissance évacuable 20 C 45 C 100 C 88 kw 60 kw Teau entrée 60 C 44kw 16 kw Teau=60 C Tair=45 C Ts.air 16kw 50% 25% La difficulté thermique est amplifiée par la faible niveau de T du système 8 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

9 Contraintes véhicule Introduction: le transport des calories Moteur Eau Air Eau Radiateur Air (QρCp) eau (T s -T e ) hs (QCp) air (T s -T e ) eau eau-air (T eeau -T eair ) air T s < 100 C T s.air Q>8000 l/h T e T e.air Q air L ensemble de calories doit être évacué par l air 9 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

10 2. Contraintes véhicule: échange thermique avec l air Puissance évacuable d un radiateur Performance Thermique du radiateur Débit d air du radiateur (Vair=10-15% Vvéhicule) Section frontale (Contrainte) Pression créée par l avancement véhicule Ou le ventilateur Perméabilité des échangeurs Épaisseur, pas d ailettes, pas de tubes Empilement des échangeurs en face avant (contradiction performance / perméabilité) Section frontale (Contrainte) 10 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

11 2. Contraintes véhicule: la pression créée par avancement véhicule: entrée d air, Cx "Vitesse d air du radiateur = 10 15% de Vitesse véhicule " Limitation par la pression créée par l avancement véhicule (entrée d air, Cx ) " Limitation par la perméabilité des échangeurs: Échangeur performant en thermique = Échangeur moins perméable "Donc limitation du débit d air et de (QCp)air "Nécessité d optimiser la performance des échangeurs et leur perméabilité Pression créée par Avancement véhicule P 200 km/h 160 km/h 100 km/h P Meilleure perfo thermique Perméabilité des échangeurs Débit d air Perte débit d air 11 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

12 2. Particularité du Module de Puissance PàC Pile + Reformeur ont besoin de l eau desionisée: Autonome en eau: Forte puissance (refroidissement de gaz d échappement) Faible niveau de température de refroidissement Gel à température négative Corrosion liée à l eau désionisée et compatibilité des matériaux Les composants conventionnels sont incompatibles avec l exigence de la Pile : Un liquide de refroidissement de faible conductivité électrique Les canalisation et les échangeurs doivent être en inox Nouveau liquide de refroidissement 12 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

13 2. Démarrage à froid et d autres contraintes thermiques Démarrage à froid: Le Stack représente 60% de l inertie thermique du système L inertie thermique du système PàC est la double d un moteur thermique, => mise en température lente Rendement du stack + 1% toutes les +10 C entre 20 et 80 C => 2% sur consommation en carburant toutes les 10 C Température négative Gel du système d eau désionisée Comportement stack Liquide de refroidissement antigel, anticorrosion, et de faible conductivité électrique, compatible avec le stack Homogénéisation de température du stack, contrôle de température de gaz 13 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

14 Organes de traction électriques 14 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

15 3. Organes de traction électrique #Machine électrique: Résistance thermique importante Conductivité thermique transversale équivalente de l ordre de 1 au lieu de 340 w/ C/m Résistances thermiques en série Point chaud: Têtes de bobine Refroidissement à eau: compacité, performance Rendement diminue avec la température Bobine Liquide de refroidissement Limite en température de bobine: refroidissement à basse température (50-70 C) #Électroniques de puissance: Refroidissement à eau: compacité, performance Limite en température de jonction (normalement à120 C) Fatigue thermique: éviter les oscillations de température du liquide refroidissement Limite en température de jonction: refroidissement à basse température (50-70 C) 15 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

16 #Batteries: 3. Batteries Plage de fonctionnement: 0 50 C: un chauffage serait nécessaire à grand froid Rendement et durée de vie fortement liés fortement à la température Quantité de puissance est relativement limitée Refroidissement à air: Extraction de l air de l arrière de l habitacle (climatisé): Toyota Prius 1&2; Évaporateur additionnel à l arrière: Honda Civic IMA; Ford Escape Refroidissement à eau: Circuit d eau avec un radiateur (Renault démonstrateur Master électrique) Circuit d eau avec un radiateur + un évaporateur additionnel 16 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

17 Thermique de l habitacle 17 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

18 Chauffage de l habitacle et désembuage/dégivrage: 4. Confort thermique Nécessité de 2 à 6 kw thermique selon la température ambiante Calories disponibles proche ou moins d un véhicule conventionnel, mais avec des sources diverses Inertie thermique double d un moteur thermique => Doubler le durée nécessaire pour atteindre le confort thermique Nécessité d un chauffage d appoint à température négative Climatisation Nécessité d un compresseur électrique de 3 kw électrique Avantage du système PàC: disponibilité d une source haute tension => réduction de coûts des organes électriques 18 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

19 Conclusion / perspectives 19 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

20 5. Conclusion #Optimisation du système de refroidissement: meilleur circuit selon les contraintes thermiques, gestion thermique du système #Recherche d un liquide de refroidissement spécifique (antigel, anti-corrosion, et de faible conductivité électrique) pour pouvoir utiliser des composants conventionnels #Optimisation du système pour le fonctionnement à température négative, et lors de la mise en température #Recherche des solutions économiques de chauffage de l habitacle et du stack 20 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule

21 5. Perspectives #Augmentation de la température de fonctionnement du système: Pile haute température: C ou plus afin d augmenter la capacité du système de refroidissement #Amélioration du rendement du stack #Humidificateur performant, compact, et à faible perte de charge #Étude et modèles couplés en thermique, aéraulique, et pneumatique du système complet 21 Direction de la Recherche Ingénierie Véhicule