Exploration des tests de batteries pour l'aviation

Paroles de Jonathan Dyble

Le carburant alternatif dans l'aviation commence à prendre de l'ampleur. En novembre 2021, les ingénieurs de Rolls Royce ont battu le record de vitesse électrique avec Spirit of Innovation. L'avion en kit sport modifié, équipé de la dernière technologie de batterie et d'un groupe motopropulseur tout électrique, a atteint une vitesse de 555,9 km/h (345,4 mph). Cela fait maintenant plus d'un an que cet exploit a été réalisé, et les technologies pour l'électricité et les avions hybrides continuent de mûrir. Par exemple, l'avion expérimental tout électrique X-57 de la NASA, qui utilise des batteries au lithium pour faire fonctionner des moteurs électriques pour 14 hélices et se concentre sur l'examen des effets de la propulsion électrique distribuée, devrait voler bientôt.

Malgré les problèmes liés à l'électrification, les initiés de l'industrie pensent que les avions électriques conviennent aux vols commerciaux court-courriers à moyen terme.

Cependant, les constructeurs d'aéronefs développant des systèmes de propulsion électrique, à la fois hybrides et électriques, continuent de faire face à de nombreux défis. Qu'il s'agisse de décider quelles cellules de batterie utiliser, de configurer les cellules, d'optimiser la taille, le poids et la puissance, et d'évaluer exactement les performances des batteries dans des cas d'utilisation réels, les ingénieurs ont encore de nombreuses nouvelles technologies et approches à explorer lorsqu'ils développent leurs stratégies de test et produits finaux.

Les essais en soufflerie ont validé les performances des processus d'hélice et de refroidissement du moteur électrique de l'Airbus EcoPulse (Image : Airbus)

Heureusement, le secteur des véhicules électriques (VE) ouvre la voie à des progrès plus rapides. Les technologies de batteries lithium-ion, principalement pour les véhicules électriques, ont considérablement évolué au cours des 15 dernières années. Le département américain de l'énergie (DOE) estime que le prix des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques était inférieur d'environ 89 % en 2022 à celui de 2008. Bloomberg prévoit que les coûts des batteries lithium-ion tomberont en dessous de 100 USD/kWh cette année et de 61 USD /kWh d'ici 2030, date à laquelle ils atteindront la parité des prix avec les modèles à carburant conventionnels s'ils ne l'ont pas déjà fait.

Cependant, il est difficile de transférer ces progrès de l'automobile vers l'aéronautique. Il ne s'agit pas simplement de développer ces batteries approuvées pour le secteur automobile pour une utilisation dans les avions.

"La technologie qui sous-tend les batteries au niveau des cellules est fondamentalement la même pour l'aérospatiale et l'automobile. Mais dans la première incarnation de l'électrification aérospatiale, les différentes applications entraînent des changements significatifs dans tous les éléments des processus de conception, de développement, de fabrication et de certification", explique Martin Dowson, ingénieur en chef et responsable de l'ingénierie et de la recherche sur les systèmes de batteries chez WMG au Royaume-Uni.

WMG est un département universitaire de l'Université de Warwick qui teste les batteries EV pour les constructeurs automobiles depuis leur introduction et sert désormais de plus en plus le secteur aérospatial. Dowson connaît bien les défis techniques et réglementaires liés à l'utilisation des batteries dans les avions.

"Les acteurs de l'aérospatiale doivent réellement prouver que les batteries sont sûres, tandis que les acteurs de l'automobile se concentrent davantage sur la réussite de tests de sécurité discrets", dit-il.

"Les voitures n'ont qu'un seul pack de batteries par véhicule, tandis que les avions nécessitent un système de stockage d'énergie composé de plusieurs packs, configurés de manière à résister à la défaillance d'éléments individuels. De plus, au niveau du système et du pack, les principales caractéristiques d'un automobile deviendra critique pour la sécurité dans une application aérospatiale."

Ici, Dowson souligne l'importance de SOX (State Of X), une estimation basée sur un modèle de différents états de batterie tels que l'état de charge (SOC), l'état d'énergie (SOE), l'état d'alimentation (SOP) et l'état de santé (SOH). SOX fournit des informations sur la santé et les performances des cellules dans les systèmes de gestion de batterie modernes.

"Dans l'automobile, SOX a un mode de défaillance", explique Dowson. "Cela peut conduire à l'insatisfaction des clients, où les performances du véhicule peuvent chuter un peu à des états de charge faibles, par exemple.

"Mais dans une application aérospatiale, ces données deviennent essentielles pour la capacité d'un avion à atterrir en toute sécurité ou à effectuer des scénarios d'atterrissage interrompus - des opérations gourmandes en énergie et en énergie. Dans les applications automobiles, les conducteurs peuvent ralentir et rentrer en boitant. Les avions ne sont pas autorisés ce luxe."

Le scénario de vol à risque plus élevé signifie que des technologies et des techniques de batteries alternatives sont requises par le secteur aérospatial. Les normes de test sont nettement plus élevées là où les défaillances et les erreurs ont une probabilité plus élevée de provoquer des incidents catastrophiques.

"Les tests de batterie détermineront généralement l'adéquation de la batterie à l'application prévue, un processus connu sous le nom de test de qualification", explique Michael Galea, professeur de machines électriques et d'entraînements pour le département de conversion de l'énergie électrique industrielle à l'Université de Malte.

"Lors des tests de qualification, la capacité de la batterie, la résistance interne et la quantité d'autodécharge, qui sont tous des indicateurs de l'état de santé de la batterie, doivent être vérifiées, avec des tests comprenant des tests de cycle et la mesure des paramètres de la batterie, tels que la chaleur générée pendant l'utilisation. "

Sans une meilleure technologie de batterie universelle pour les avions électriques, et parce que différents cas d'utilisation nécessitent des solutions différentes, une grande partie du défi pour les ingénieurs consiste à évaluer l'adéquation des batteries à leurs applications aérospatiales.

Des décisions clés doivent être prises sur le type de cellules de batterie le plus adapté à leur avion, sur la manière dont elles sont configurées, intégrées et sur la manière dont leur taille, leur poids et leur puissance sont optimisés tout en donnant la priorité à la sécurité. densité de puissance et densité d'énergie et sécurité en termes d'adéquation, de fiabilité, de surveillance de l'état de charge et de l'état de santé, avec plans de secours associés en cas de dégradation.

"Cela dit, la sécurité et les performances sont deux objectifs de conception qui se contredisent assez souvent dans l'aérospatiale. Alors que la cote d'une batterie en kWh/kg est attrayante pour l'industrie, une augmentation du kWh/kg peut signifier un risque accru de problèmes thermiques et une perte d'alimentation électrique pour piloter les systèmes de l'avion."

L'esprit d'innovation de Rolls-Royce a utilisé plus de 6 000 cellules - la batterie la plus dense en énergie jamais assemblée pour un avion (Image : Rolls-Royce)

Pipistrel, constructeur du Velis Electro, le premier et le seul avion électrique certifié au monde, a travaillé dur pour trouver cet équilibre entre performances et sécurité. La société a été acquise par le géant américain de l'aviation Textron en 2022.

« Nous avons commencé il y a plus de 15 ans l'aventure du développement des batteries au lithium à partir de cellules commerciales prêtes à l'emploi », déclare Tine Tomažič, directeur de la technologie du groupe et directeur de la R&D chez Pipistrel Vertical Solutions.

"Pipistrel a développé des processus pour identifier les cellules de batterie candidates appropriées. Ces tests incluent le dépistage des performances dans différentes conditions environnementales et le vieillissement de la batterie avec différents profils de charge/décharge. Nous testons également la robustesse dans les environnements chauds et froids et les trempages, testons les caractéristiques de ventilation et faisons évaluations calorimétriques des rejets.

Galea estime que la meilleure façon de tester avec succès chacune de ces caractéristiques ainsi que d'autres est de construire des modèles précis des cellules de batterie elles-mêmes, emballées sous forme de batteries et d'intégrer ces modèles dans l'avion ou les modèles de sous-systèmes de l'avion.

"Les modèles électrochimiques qui sont validés expérimentalement sont les plus précis et peuvent être utilisés pour la conception et pour l'analyse de la durée de vie", explique Galea. "Dès que possible, une liste restreinte de cellules candidates doit être testée par rapport aux profils de mission pour comprendre les performances et la dégradation avant d'aller trop loin dans le processus d'approvisionnement et de conception des packs.

"Pour caractériser complètement une cellule est un processus de trois à six mois. En effet, le comportement d'une cellule est sensible à l'état de charge, à la température, à la puissance de sortie et au vieillissement."

Les tests préalables à l'application ne sont qu'une partie du puzzle. L'analyse est aussi importante que la mise en œuvre pour évaluer si une batterie a été déployée avec succès, car elle permet d'identifier les opportunités d'amélioration ou les applications où des alternatives peuvent être nécessaires dans les projets futurs.

Pour cette raison, il est essentiel que les ingénieurs travaillent pour évaluer les performances des batteries dans des cas d'utilisation réels parallèlement aux efforts de test initiaux. Les activités devraient s'intensifier dans ce domaine au cours des prochaines années à mesure que les avions électrifiés se rapprocheront du marché.

Encore une fois, les ingénieurs de Pipistrel travaillent dur sur ce front et ont identifié plusieurs domaines clés où des améliorations à ses modèles existants sont possibles.

"Nous travaillons actuellement sur plusieurs trajectoires différentes en matière de développement de batteries", explique Tomažič. "Cela comprend plusieurs programmes de recherche sur la chimie des batteries, l'optimisation de l'intégration structurelle, les optimisations thermodynamiques telles que le refroidissement liquide et hybride, la maintenance à la demande avec des durées de vie accrues des batteries et des considérations de durabilité du cycle de vie avec des solutions pour la seconde vie des batteries."

Les progrès sur ces fronts sont positifs. Mais l'industrie aérospatiale doit tracer son propre parcours de transition vers des applications nettes zéro. De plus, les ingénieurs doivent explorer exactement quelles technologies fonctionnent le plus efficacement pour les avions compte tenu des exigences nuancées du secteur.

Le Velis Electro de Pipistrel est un avion d'entraînement électrique alimenté par une batterie refroidie par liquide de 24,8 kWh qui pèse 72 kg (Image : Pipistrel)

Pour Galea, cela nécessitera une réflexion créative extérieure et l'utilisation de nouvelles techniques et technologies de développement innovantes telles que des jumeaux numériques, des modèles très précis et du matériel dans les systèmes en boucle.

"À l'avenir, les tests de batteries ne devraient être utilisés que pour valider expérimentalement certains aspects de nouveaux produits et pour prouver que les données correctes sont entrées dans les systèmes mentionnés ci-dessus", déclare-t-il, exposant sa vision.

"Les exigences des avions électriques nécessitent une amélioration d'un ordre de grandeur en termes de capacité de densité d'énergie et en termes de fiabilité pour la certification.

"Cela ne peut être réalisé qu'en modifiant les processus de conception aujourd'hui, de la conception traditionnelle, de la construction et du test de destruction d'échantillons, à des processus où tous les objectifs de conception sont inclus dès le début du processus de développement."

Sans aucun doute, une combinaison de méthodes sera nécessaire, et il reste encore un long chemin à parcourir pour combler le déficit de puissance actuel des avions. Galea indique que les applications hybrides sont les solutions les plus réalistes pour une utilisation commerciale dans un avenir proche.

"L'avion le plus exigeant en énergie électrique utilisé aujourd'hui exige une capacité totale de production d'énergie électrique de 1 MW à bord. Cependant, on estime que pour un avion commercial tel qu'un A320, un B737, la puissance de propulsion requise pour une version entièrement électrique serait quelque chose dans la région de 40 MW », déclare Galea.

"Du point de vue de la batterie et du point de vue des composants électriques, la voie à suivre ne sera probablement pas celle des véhicules entièrement électriques, à l'exception des cas des avions légers et des modèles pouvant accueillir jusqu'à 50 à 100 passagers.

Les solutions probables vont être des avions de type hybride ou turbo-électrique."

Galea estime que l'industrie a besoin de cellules de batterie capables d'au moins 400 Wh/kg - ce que nous ne pouvons vraiment espérer voir que dans environ cinq ans - pour réaliser ces plates-formes. En ce sens, l'industrie reste très à l'affût de cet espace en ce qui concerne les batteries.