Optimiser, densifier, embarquer. Les enjeux classiques d’intégration, pour la mobilité hydrogène, prennent vite l’allure d’un casse-tête. « Les systèmes à hydrogène sont complexes. Il faut compter trois réservoirs cylindriques pour une voiture, sept pour un camion ou un bus, auxquels s’ajoutent la pile à combustible (PaC), la batterie, l’électronique de puissance, des convertisseurs et toute une tuyauterie pour acheminer l’hydrogène et l’eau », décrit Pierre Leduc, le chef du projet véhicules électrifiés et piles à combustible à l’Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Ifpen). « Intégrer tous ces composants est un défi majeur », insiste-t-il.
L’intégration du pack de batteries et du système hydrogène dans les véhicules revient aujourd’hui aux constructeurs automobiles, qui sont très contraints en matière d’architecture. « Les piles à combustible et l’électronique de puissance sont généralement placées sous le capot, le moteur électrique se trouve près d’un essieu, tandis que le système de refroidissement est installé sur la face avant, explique le spécialiste de l’Ifpen. Les réservoirs sont montés sous le châssis des taxis ou des voitures familiales, empilés derrière la cabine des camions et dans la toiture des bus. »
Les algorithmes optimisent les recours à la batterie et à la pile à combustible
L’un des éléments au cœur du système n’est toutefois pas si volumineux. Il s’agit de l’algorithme de contrôle-commande ou energy management system (EMS), qui répartit les appels de puissance entre la pile à combustible et la batterie. « Un bus fonctionne entre des appels de 100, voire 200 kW et des retours de puissance similaires, tandis que la pile à combustible ronronne entre 50 et 100 kW. Les à-coups sont donc pris en charge par la batterie », illustre Sébastien Rembauville-Nicolle, le vice-président du développement commercial chez Forsee Power, spécialiste des systèmes de batterie dédiés à la mobilité lourde. « En tant que lien algorithmique qui permet d’optimiser les différents organes, l’EMS est essentiel pour les enjeux d’intégration, confirme-t-il. Il offre la possibilité de jouer sur le refroidissement, la conversion, le dimensionnement des batteries ou encore le battery management system (BMS). »
Des progrès sont attendus sur les algorithmes de gestion de l’énergie. « Pour l’instant, le recours à la batterie ou à la PaC se fonde surtout sur leur état de charge. À terme, les algorithmes chercheront également à réduire le vieillissement des deux organes », souligne Pierre Leduc. Optimiser l’EMS sera d’ailleurs l’un des axes de travail prioritaires du partenariat entre le français Forsee Power et le fabricant canadien de piles à combustible Ballard, annoncé en octobre 2021. L’alliance devrait ainsi aboutir au développement d’un système de batteries et piles à combustible totalement intégré pour la mobilité moyenne et lourde d’ici à 2023. « Un tel système plug-and-play permettra aux acteurs qui ne possèdent pas les compétences techniques d’intégration en interne de se lancer dans la mobilité hydrogène », indique le porte-parole de Forsee Power.
Convertisseur DC/DC
D’autres briques technologiques, si elles font l’objet d’améliorations, peuvent faciliter l’intégration des systèmes batterie-PaC, en particulier le convertisseur haute tension DC/DC. « C’est un organe clé pour optimiser un système combiné : il s’agit du lien physique entre deux éléments qui, jusque-là, fonctionnaient séparément », explique Sébastien Rembauville-Nicolle. Le convertisseur harmonise les courbes de tension entre la batterie et la PaC et atteint des rendements de plus de 95 %, d’après l’Agence française de la transition écologique (Ademe). « Mais c’est souvent dans la conversion qu’il y a des pertes par effet Joule, poursuit Sébastien Rembauville-Nicolle. Or, lorsqu’on génère de la chaleur, il faut ensuite refroidir le système. Ce sont finalement des kilomètres d’autonomie qui sont perdus. »
L’innovation dans les batteries et piles à combustible progresse en outre rapidement pour proposer des composants adaptés aux demandes des constructeurs. De quoi offrir toujours plus d’autonomie et de performances aux prochaines générations de véhicules.
Les piles à combustible s’adaptent aux usages
Les systèmes de piles à combustible sont complexes et volumineux. Avec plus de 300 composants, les « stack packs » proposés par le français Symbio – coentreprise de Faurecia et Michelin – pour les bus pèsent 140 kg et mesurent 88 cm de longueur, 45 cm de profondeur et 50 cm de hauteur. Ces piles à combustible de type PEM (membrane échangeuse de protons), les plus matures du marché, font l’objet d’optimisations (sur les couches catalytiques du cœur de la pile par exemple). Mais pour Symbio, la compréhension des usages représente l’une des pistes phares pour améliorer les performances des PaC. « Les arrêts-démarrages ou la manière dont est appelée la puissance ont un effet direct sur la durabilité et la performance, insiste Vincent Abad, le vice-président de la recherche et de l’innovation chez Symbio. Nous travaillons en étroit partenariat avec nos clients afin d’optimiser la solution. Nous faisons des allers-retours avec Safra pour ses bus à hydrogène et Stellantis sur les utilitaires, pour comprendre les usages réels. C’est un véritable atout pour optimiser chacun des composants et la conception du système. »
