Elektro-Automatik (EA) est l’un des principaux fournisseurs européens de produits d’électronique de puissance pour l’industrie automobile et de nombreux autres secteurs. EA développe et fabrique des alimentations innovantes dans ses laboratoires allemands. EA propose désormais sa gamme d’alimentations ELR spécialement conçue pour faciliter les essais des piles à combustible automobiles.
Les piles à combustible existent depuis longtemps, mais les récentes avancées technologiques et les initiatives mondiales en faveur de la neutralité climatique ont suscité des investissements importants de la part de constructeurs automobiles tels que Honda, Toyota, Hyundai et Mercedes.
Pour concevoir et fabriquer des piles à combustible de qualité, il faut caractériser le dispositif et tester ses performances. Pour les centrales électriques de secours et les véhicules automobiles, les piles à combustible ont une architecture modulaire qui permet de répondre aux besoins en énergie de l’application. Ces piles peuvent générer une puissance élevée. Des alimentations et des charges électroniques de forte puissance sont donc nécessaires pour la caractérisation et les tests des piles à combustible.
Les piles à combustible peuvent fournir une puissance largement supérieure à 10 kW. Les alimentations et charges DC de forte puissance d’Elektro Automatik présentent plusieurs caractéristiques qui simplifient la tâche de simulation, de caractérisation et de test des piles à combustible et rendent les tests plus efficaces.
Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?
Avant de parler des tests, voyons rapidement ce que sont les piles à combustible. Les piles à combustible sont un combustible chimique. Lorsqu’une réaction chimique se produit, elle génère généralement de l’énergie avec un sous-produit tel que la chaleur. La plupart des piles à combustible sont souvent à base d’hydrogène mélangé à un agent oxydant tel que l’oxygène, ce qui crée ensuite des électrolytes.
L’avantage de l’utilisation de l’hydrogène est que le sous-produit de la réaction chimique n’est que de la chaleur et de la vapeur d’eau, ce qui en fait une énergie propre. L’hydrogène utilisé dans les piles à combustible peut être obtenu de plusieurs façons, par reformage du méthane, par gazéification de la biomasse, par électrolyse de l’eau ou par thermochimie solaire.
Il existe plusieurs types de piles à combustible, mais elles sont toutes constituées des mêmes éléments : une anode, une cathode et un électrolyte qui permet aux ions de se déplacer entre les deux côtés de la pile, comme le montre la figure 1.
Comment tester la résistance à la corrosion ?
Le paramètre le plus important d’une pile à combustible est son niveau de résistance. La résistance de l’électrolyte est le principal facteur contribuant à la résistance totale de la pile à combustible. La résistance de polarisation modélise la résistance équivalente de la réaction, et la capacité à double couche modélise les interfaces anode-électrolyte-cathode. Plus la résistance totale de la pile à combustible est faible, plus sa perte de puissance est faible et plus son rendement est élevé.
Pour la production d’énergie de kW à MW, une résistance totale trop élevée peut empêcher une pile à combustible de fournir sa puissance nominale maximale.
La difficulté de mesurer la résistance de la pile à combustible est due au fait que la source de tension de la pile ne peut être isolée des composants résistifs comme le modèle de circuit pourrait le suggérer. Plutôt que d’utiliser une mesure classique de la résistance en DC, la mesure de la résistance des piles à combustible nécessite une mesure en AC.
Cette mesure du courant AC est connue sous le nom de méthode d’interruption du courant. Cette méthode, comme son nom l’indique, crée un courant en faisant passer instantanément le courant de charge d’une valeur stable à 0 A. La tension de la pile à combustible s’élève à sa tension de circuit ouvert à partir de la tension réduite par le produit du courant de charge et de la résistance de la pile à combustible.
Alors comment créer le courant nécessaire pour caractériser la pile à combustible ? Vous avez besoin d’une charge électronique et de la possibilité de faire varier sa sortie AC avec un signal alternatif de fréquence variable. Vous pourriez connecter la charge et un générateur de forme d’onde ensemble. Les générateurs de formes d’onde sont des appareils de faible puissance. Vous auriez donc du mal à tester une pile à combustible contenant plusieurs éléments. Vous pourriez connecter le générateur de formes d’onde à la charge électronique par l’intermédiaire d’un bias-T, mais les bias-T sont des composants à faible puissance utilisés principalement pour les applications RF. La connexion d’un générateur de formes d’onde de faible puissance à une charge électronique de forte puissance est un défi.
EA résout ce problème avec ses charges électroniques ELR en intégrant le générateur de forme d’onde dans la charge. Vous n’avez pas à vous préoccuper des connexions externes et de la protection d’un générateur de formes d’onde contre une puissance élevée dangereuse. Le générateur de formes d’onde produit des ondes sinusoïdales, des ondes triangulaires, des ondes carrées, des ondes trapézoïdales, des rampes et des formes d’onde arbitraires. Avec la charge ELR, vous pouvez créer tout type de charge dynamique, y compris une perturbation sinusoïdale sur un puits de courant continu pour la caractérisation de la résistance des piles à combustible.
En outre, la charge ELR, avec son générateur de forme d’onde interne, peut soumettre la pile à combustible testée à une large gamme de variations de charge dynamique pour les essais de performance et de durabilité. La charge peut soumettre une pile à combustible à des variations de charge importantes à des cycles d’utilisation variables.
Simulation d’une pile à combustible pour des essais réalistes d’onduleurs ou de convertisseurs DC-DC
Maintenant que la pile à combustible est caractérisée, les alimentations de la série PSB, qui possèdent également un générateur de fonctions de forme d’onde intégré, peuvent simuler la sortie d’une pile à combustible. La simulation d’une pile à combustible permet de tester dans les conditions les plus réalistes un onduleur destiné à un dispositif tel qu’une source d’alimentation de secours ou un convertisseur DC-DC pour un véhicule automobile. Il suffit d’utiliser l’application Générateur de fonctions dans le logiciel Power Control d’Elektro Automatik. Entrez les paramètres clés de tension et de courant, et l’application Générateur de fonctions permet à l’alimentation PSB d’émuler la sortie de votre pile à combustible.
La figure 3 montre la fenêtre du tableau de la pile à combustible qui affiche la courbe V-I caractéristique de la pile à combustible et définit la sortie de la pile à combustible. À la tension maximale, la sortie de la pile à combustible est dominée par les effets électrocinétiques. Dans la partie centrale de la courbe, la résistance linéaire et ohmique de la pile à combustible détermine les caractéristiques de sortie. Dans la partie de la courbe où le courant est élevé et la tension faible, la caractéristique exponentielle est définie par la consommation d’énergie à un rythme plus rapide que celui auquel l’hydrogène et l’oxygène peuvent se diffuser vers l’anode et la cathode pour fournir de l’énergie.
La sortie simulée de la pile à combustible permet de tester les performances de l’onduleur ou du convertisseur DC-DC, car ces charges consomment à la fois du courant faible et du courant fort. Les résultats indiquent dans quelle mesure les charges peuvent maintenir leur puissance sous la tension variable de la pile à combustible. Heureusement, vous n’avez pas besoin d’un système de test complexe avec une résistance variable externe pour tester les onduleurs et les convertisseurs DC-DC. Tout ce dont vous avez besoin est une alimentation PSB.
Économisez de l’énergie et réduisez la température
Les charges électroniques ELR et les alimentations bidirectionnelles (source et absorption) PSB peuvent absorber de l’énergie et la restituer au réseau électrique avec un rendement exceptionnel de 96 %. Lorsque vous utilisez les charges ELR ou la fonction d’absorption des alimentations PSB, les onduleurs efficaces des deux instruments assurent la récupération d’énergie régénérative afin de réduire vos coûts d’électricité. La réinjection de l’énergie absorbée au réseau permet de réduire les besoins de refroidissement de ces instruments qui peuvent produire et absorber jusqu’à 30 kW. Les instruments ont besoin de ventilateurs de plus petite capacité qui fonctionnent plus silencieusement et d’une infrastructure de refroidissement moins importante pour les maintenir à une température de fonctionnement sûre. Profitez de la réduction des coûts de fonctionnement et du fait que vous aidez l’environnement.
Travaillez dans n’importe quel environnement de test automatisé
Les alimentations PSB et les charges ELR d’Elektro Automatik disposent de plusieurs interfaces pour permettre une communication et un contrôle faciles dans un nombre d’environnements de test. Les alimentations de la série PSB et les charges ELR disposent d’interfaces USB et Ethernet en standard pour une connexion simplifiée à un PC. Grâce aux interfaces ModBus et Profibus en option, les instruments peuvent être commandés par un automate programmable (PLC). Grâce à l’interface CAN, les instruments peuvent s’interfacer avec un système de contrôle automobile. C’est plus de flexibilité que ce que vous obtenez des autres fabricants d’alimentations et de charges électroniques.
Récapitulatif
L’analyse des piles à combustion est un processus complexe qui peut être facilité par l’utilisation des bons outils. Elektro Automatik est le leader de l’électronique de puissance et propose plusieurs solutions pour le test des piles à combustible sur le marché automobile. Plus précisément, les piles à hydrogène sont considérées comme l’un des types de carburant les plus propres que l’on puisse utiliser, avec peu ou pas d’émissions de carbone. Il est essentiel de garantir leur longévité et leur efficacité pendant le fonctionnement et le stockage en testant régulièrement les piles à combustible dans plusieurs industries, dont l’automobile.
Charges électroniques EL 9000 B
Charges électroniques séries EL 3000 et EL 9000
Charge électronique ELR 9000
Alimentations DC bidirectionnelles, EA-PSB 9000
