Nouvelle Norme Chinoise pour les Essais des Véhicules à Pile à Combustible
L’automobile du futur se dessine dans les laboratoires d’ingénierie et sur les bancs d’essai, où chaque détail technique est scruté pour répondre aux défis de la durabilité, de l’efficacité énergétique et de la performance. Dans ce paysage en pleine mutation, la technologie des piles à combustible à hydrogène émerge comme une solution de choix pour décarboner des segments du transport où les véhicules électriques à batterie atteignent leurs limites, notamment le transport lourd, les bus urbains et les flottes commerciales. La Chine, acteur majeur de la révolution de la mobilité électrique, consolide désormais sa position dans l’écosystème de l’hydrogène avec la mise en œuvre d’une norme nationale fondamentale : la GB/T 43252-2023, intitulée Méthodes d’essai de la consommation d’énergie et de l’autonomie des véhicules électriques à pile à combustible. Cette norme, récemment publiée, ne se contente pas de mettre à jour un protocole de test ; elle établit un cadre méthodologique sophistiqué et différencié, conçu pour évaluer avec une précision inédite les performances énergétiques des véhicules à pile à combustible (FCEV), en particulier deux paramètres vitaux : leur consommation d’hydrogène et la distance qu’ils peuvent parcourir avec un plein.
L’introduction de cette norme est un jalon stratégique dans l’ambition de la Chine de devenir un leader mondial de l’économie de l’hydrogène. Le pays a déjà lancé plusieurs zones de démonstration à grande échelle, notamment à Shanghai, Guangdong et dans la région de Beijing-Tianjin-Hebei, visant à accélérer le déploiement commercial de cette technologie. Cependant, pour que ces initiatives prospèrent, une base de confiance est indispensable. Cette confiance repose sur des données de performance fiables, comparables et transparentes. Sans un standard unifié, les chiffres d’autonomie et de consommation publiés par les différents constructeurs étaient comme des langues différentes : difficilement comparables, parfois trompeurs, et potentiellement préjudiciables à la crédibilité de toute la filière. La GB/T 43252-2023 répond à ce besoin critique en offrant un protocole d’essai rigoureux, scientifiquement fondé et reproductible, réalisé sur banc à rouleaux, un environnement contrôlé qui élimine les variables externes telles que la météo, le style de conduite ou les conditions de circulation.
La portée de la norme est vaste et stratégiquement ciblée. Elle s’applique aux véhicules des classes M (véhicules pour le transport de personnes) et N (véhicules pour le transport de marchandises) alimentés par de l’hydrogène gazeux comprimé. Cela englobe une large gamme de véhicules, des berlines et monospaces aux bus urbains, camions légers, camions lourds et véhicules de traction, précisément les segments où l’hydrogène peut offrir le plus grand impact en termes de réduction des émissions. Le cœur de la norme réside dans sa capacité à reconnaître et à gérer la complexité inhérente à l’architecture des FCEV modernes. Contrairement aux véhicules à moteur à combustion interne ou aux véhicules électriques purs, la plupart des FCEV combinent une pile à combustible avec une batterie rechargeable (REESS), généralement une batterie lithium-ion. La pile à combustible convertit l’hydrogène en électricité de manière continue, fournissant la puissance de base, tandis que la batterie joue un rôle hybride : elle fournit de l’énergie supplémentaire lors des accélérations, stocke l’énergie récupérée lors des freinages et agit comme un tampon pour lisser la demande énergétique. Cette interaction rend la mesure du « vrai » consommation d’hydrogène extrêmement complexe. Quelle part de l’énergie utilisée pour la propulsion provient directement de l’hydrogène consommé, et quelle part provient de la batterie, qui elle-même a pu être chargée par la pile à combustible ?
Pour résoudre ce dilemme, la norme adopte une approche innovante et nuancée en classifiant les véhicules en deux catégories distinctes : Type A et Type B. Cette classification repose sur un paramètre clé, noté α (alpha), qui est le rapport entre la variation nette d’énergie de la batterie (REESS) pendant un cycle d’essai complet et l’énergie totale dérivée de la consommation d’hydrogène. Si α est inférieur ou égal à 1 %, le véhicule est classé en Type A. Cela signifie que la pile à combustible est la source d’énergie dominante, et que la batterie joue un rôle purement secondaire, contribuant à moins de 1 % de l’autonomie totale. Le véhicule se comporte essentiellement comme un « véhicule à pile à combustible pur ». À l’opposé, si α dépasse 1 %, le véhicule est classé en Type B. Cela indique que la batterie fournit une contribution énergétique significative à la propulsion, agissant comme une source de puissance active et non plus seulement comme un système de stockage passif.
Cette distinction est cruciale car elle détermine entièrement la méthodologie d’essai à appliquer. Pour les véhicules de Type A, où la contribution de la batterie est négligeable, la norme permet un « méthode raccourcie » (shortened method). Cette approche est une solution intelligente pour améliorer considérablement l’efficacité des tests en laboratoire, en particulier pour les véhicules commerciaux de grande taille qui peuvent transporter plusieurs centaines de kilogrammes d’hydrogène. L’essayer de vider complètement le réservoir d’hydrogène serait un processus extrêmement long, coûteux en ressources et en temps. La méthode raccourcie consiste donc à effectuer six cycles complets d’un cycle de conduite normalisé. Pendant ces six cycles, des mesures précises sont prises : la masse d’hydrogène consommée, la distance parcourue, ainsi que la tension et le courant de la batterie. À partir de ces données, on calcule la consommation moyenne d’hydrogène pour 100 kilomètres. L’autonomie totale du véhicule est ensuite déterminée par extrapolation proportionnelle, en utilisant la masse totale d’hydrogène utilisable dans le réservoir. Cette méthode est valable car, pour les véhicules de Type A, la consommation d’énergie par cycle est remarquablement stable, la batterie ne se chargeant ni ne se déchargeant de manière significative au cours du test.
Le protocole pour les véhicules de Type A est méticuleux et exigeant. Il commence par une phase de préparation rigoureuse. Tout d’abord, le véhicule doit être « rodé » : il doit avoir parcouru au moins 300 km en utilisant son système de pile à combustible. Cela garantit que tous les composants, en particulier la pile elle-même, sont dans un état de fonctionnement stable et mature. Ensuite, le véhicule doit être laissé en repos (phase d' »immersion ») pendant au moins deux heures à une température contrôlée de 23±3 °C, permettant à la température du véhicule et de ses fluides de se stabiliser. Le banc à rouleaux est ensuite calibré pour simuler avec précision les forces de résistance au roulement et la traînée aérodynamique du véhicule, en utilisant des données obtenues selon les normes GB/T 18352.6-2016 ou GB/T 27840-2021. Après un cycle de chauffage, les six cycles d’essai sont exécutés. Une étape critique qui suit est la détermination de la « pression de coupure » (cut-off pressure). Après les six cycles, le véhicule, utilisant uniquement l’hydrogène restant dans son réservoir, doit être conduit jusqu’à ce qu’il ne puisse plus maintenir le profil de vitesse du cycle d’essai. À ce stade, une petite quantité d’hydrogène (pas plus de 0,05 kg) est ajoutée, et la pression d’équilibre résultante est enregistrée. Cette pression de coupure est essentielle pour calculer avec une grande précision la masse totale d’hydrogène utilisable, qui est la différence entre la masse à la pression nominale (plein) et la masse à la pression de coupure (vide fonctionnel).
Pour les véhicules de Type B, qui dépendent davantage de la batterie, une approche plus exhaustive est requise : la « méthode d’épuisement » (run-out method). Ici, l’objectif est de consommer complètement toutes les sources d’énergie disponibles dans le véhicule. La procédure commence par une phase de préparation encore plus rigoureuse, en particulier concernant le ravitaillement en hydrogène. Un processus en deux étapes est mis en œuvre : un « ravitaillement grossier » jusqu’à ce que l’indicateur de niveau de carburant (SOC) dépasse 90 %, suivi d’un « ravitaillement précis ». Ce dernier est un processus itératif et précis : il implique le calcul d’une pression cible basée sur la température ambiante, le ravitaillement jusqu’à cette pression, une attente de deux heures pour permettre l’équilibre thermique, puis la vérification de la pression réelle. Si la pression mesurée ne correspond pas à la cible, le processus est répété. Ce protocole rigoureux garantit que le réservoir est véritablement plein, éliminant les erreurs dues à l’expansion thermique du gaz. Parallèlement, l’état de charge (SOC) de la batterie est réglé à une valeur initiale spécifiée.
Une fois le véhicule préparé, il est soumis à un cycle de conduite normalisé jusqu’à ce qu’il ne puisse plus continuer, soit parce que le système de propulsion ne peut plus maintenir la vitesse requise, soit parce qu’un avertissement de basse puissance est déclenché. La distance parcourue jusqu’à ce point est l’autonomie mesurée. L’analyse des données pour les véhicules de Type B est plus complexe, car elle nécessite de séparer les contributions de la pile à combustible et de la batterie. L’énergie provenant de l’hydrogène est calculée directement à partir de la masse d’hydrogène consommée et de son pouvoir calorifique inférieur. L’énergie fournie par la batterie est déterminée de manière indirecte : après l’essai, la batterie est rechargée complètement à partir du réseau électrique. L’énergie électrique consommée par le réseau pendant cette recharge est égale à l’énergie nette que la batterie a fournie au système de propulsion pendant l’essai (ajustée pour de petites pertes). En additionnant ces deux énergies, on obtient l’énergie totale consommée pour parcourir la distance mesurée. Cela permet de calculer des indicateurs précis tels que la consommation d’hydrogène par 100 km, la consommation d’électricité par 100 km (pour la batterie) et la part de l’autonomie attribuable à chaque source d’énergie.
La norme va plus loin en distinguant les véhicules de Type B qui peuvent être branchés à une source d’énergie externe (Plug-in) de ceux qui ne le peuvent pas. Pour les véhicules non Plug-in, un cas particulier est envisagé : si le calcul montre que la batterie a une variation nette d’énergie négative (c’est-à-dire qu’elle s’est chargée plus qu’elle ne s’est déchargée pendant l’essai), cela signifie qu’elle a été alimentée par la pile à combustible. Dans ce cas, on considère que toute l’autonomie provient de la pile à combustible, et seul le taux de consommation d’hydrogène est rapporté. Cette logique empêche de compter la batterie comme une source d’énergie primaire, la maintenant dans son rôle de système de stockage secondaire.
L’implémentation de la GB/T 43252-2023 a des implications profondes pour tout l’écosystème. Pour les constructeurs, elle offre une clarté et une prévisibilité inestimables, leur permettant de concevoir et de calibrer leurs véhicules en visant un objectif d’essai bien défini. Pour les laboratoires de certification, elle établit un protocole clair qui améliore la cohérence, la crédibilité et la comparabilité des résultats entre différents sites. Pour les décideurs politiques, elle fournit des données fiables pour concevoir des programmes d’incitation, évaluer les progrès vers les objectifs de durabilité et planifier le développement des infrastructures de ravitaillement. Et pour les consommateurs, les opérateurs de flottes et les investisseurs, elle signifie que les chiffres d’autonomie et de consommation qu’ils voient dans les brochures ou sur les stations de ravitaillement sont basés sur un standard rigoureux et transparent, renforçant ainsi la confiance dans la technologie de l’hydrogène.
Wu Shiyu, Wang Guozhuo, Wang Zhijun et Guo Ting du China Automotive Technology Research Center Co., Ltd. et China Automotive Inspection Center (Tianjin) Co., Ltd. ont analysé l’application de cette norme dans la revue Standard Science 2024, numéro 3, DOI: 10.3969/j.issn.1674-5698.2024.03.017. Leur travail fournit une analyse approfondie et une orientation essentielle pour les professionnels du secteur, soulignant l’importance de la préparation minutieuse du véhicule, de la calibration précise du banc à rouleaux et de la gestion rigoureuse de l’hydrogène, et confirme que cette norme est un pilier fondamental pour le développement futur et la crédibilité de la technologie des véhicules à pile à combustible.