Brevet FR2709873A1 — publié le 19950317

La présente invention est relative à un générateur de tension comportant une pile à combustible et un accumulateur électrique montés en parallèle. De tels générateurs de tension, connus sous le nom de systèmes hybrides, présentent l'avantage de constituer des sources d'énergie non polluantes, silencieuses et à haut rendement, dans la mesure o la pile à combustible produit la totalité du courant disponible aux bornes du générateur. Dans de tels systèmes hybrides, la pile à combustible qui ne pourrait faire face à des hausses brutales de la consommation d'énergie électrique, en raison de l'inertie du processus électro- chimique dont elle est le siège et de la puissance limitée de la pile à combustible, est associée à un accumulateur électrique qui joue le rôle de tampon en fournissant le surplus d'énergie nécessaire en cas de besoin et en emmagasinant l'énergie surabondante dans le cas contraire. On sait cue, d'une manière générale, une pile à combustible doit fonctionner avec, à ses bornes, une certaine tension, au risque de voir ses électrodes se détériorer rapidement, ce qui conduirait à la mise hors d'usage de la pile à combustible. On connait déjà des systèmes hybrides dans lesquels un convertisseur à courant continu est interposé entre la pile à combustible et l'accumulateur électrique, pour élever la tension issue de ladite pile à combustible à une valeur voisine de la tension de fonctionnement de l'accumulateur. Mais ces dispositifs ne permettent pas de prévenir une baisse de la tension aux bornes de ladite pile à combustible et ne permettent pas de fcrcer le fonctionnement de la pile à combustible à un régime maximum à tout instant, en stockant l'excédent d'énergie dans la batterie. On connaît également des dispositifs permettant, dans un générateur de tension de type système hybride, de mettre hors tension la pile à combustible lorsque la demande de charge électrique devient trop impcr'ante, c'est-à-dire lorsque La tension aux bornes de la pile à combustible est inférieure à une valeur minimale de bon fonctionnement. Mais de tels dispositifs, qui fonctionnent en tout ou rien, ne permeten.t pas de t:rer le meilleur profit de la pile à combustible, puisque cette dernière ne fournit pas er. permanence son maximum de puissance é!ecri u.e. La urésente invention vise à fournir un générateur de tension de tvype systeme hyvoride dans lecuel la pile à combustible est maintenue en -2 permanence dans des conditions de fonctionnement optimal, c'est-à-dire dans lequel, indépendamment de la demande de charge, la pile à combustible fournit en permanence une puissance électrique maximale, l'excédent étant stocké dans un accumulateur et utilisé en tant que tampon d'énergie. La présente invention a pour objet un générateur de tension comportant une pile à combustible, un convertisseur à courant continu et un accumulateur électrique, les bornes d'entrée du convertisseur à courant continu étant reliées aux bornes de la pile à combustible et les bornes de sortie dudit convertisseur à courant continu étant montées en parallèle avec celles de l'accumulateur sur les bornes du générateur de tension, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de réglage du convertisseur à courant continu agissant sur la valeur de l'intensité maximale du courant traversant ledit convertisseur à courant continu, en fonction de la tension mesurée aux bornes de la pile à combustible, de manière à maintenir cette tension au voisinage d'une valeur de consigne prédéterminée. Le générateur de tension selon l'invention présente la caractéristique originale que le convertisseur à courant continu dont il est équipé est utilisé, non pas pour stabiliser la tension présente à ses bornes de sortie, ce qui correspondrait à l'usage conventionnel d'un convertisseur, mais pour stabiliser la tension présente à ses bornes d'entrée. Dans la pratique, la valeur de consigne de la tension aux bornes de la pile à combustible est déterminée, par expérimentation, comme étant le point de la caractéristique tension/courant de la pile à combustible correspondant à une puissance fournie maximale dans des conditions normales de fonctionnement de ladite pile à combustible. Compte-tenu du grand nombre de paramètres conditionnant le fonctionnement d'une pile à combustible, il est, dans la pratique, très difficile de déterminer instantanément quelle est la puissance disponible aux bornes de ladite pile à combustible. Dans ces conditions, la valeur de l'intensité maximale du courant traversant le convertisseur ne peut être connue à l'avance, et c'est pourquoi les moyens de réglage du convertisseur selon l'invention fonctionnent en boucle d'action/réaction en mesurant la tension aux bornes de la pile à combustible et en ajustant la valeur de l'intensité maximale de manière à ce que la tension mesurée aux bornes de la pile à combustible corresponde à la tension de consigne prédéterminée. Avantageusement, le générateur de tension selon l'invention comporte en outre des moyens de déconnexion de la pile à combustible qui -3 - 2709873 entrent en action dans le cas o la tension aux bornes de cette dernière demeure inférieure à la valeur de consigne, en dépit de l'action des moyens de réglage du convertisseur. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente schématiquement les différents composants d'un générateur de tension selon l'invention, - la figure 2 est un schéma synoptique représentant le contrôle en boucle d'action/réaction effectué selon l'invention aux bornes de la pile à combustible, - la figure 3 représente un organigramme simplifié du contrôle exercé par le micro-processeur sur le convertisseur à courant continu, - la figure 4 représente les variations de paramètres électriques du générateur selon l'invention pendant une phase transitoire de montée en température, et - la figure 5 représente les variations de paramètres électriques du générateur selon l'invention pendant une phase de variation de la charge électrique. Sur la figure 1, les bornes de sortie d'une pile à combustible 1 sont raccordées électriquement aux bornes d'entrée d'un convertisseur à courant continu 2. Les bornes de sortie dudit convertisseur 2 sont montées parallèlement avec celles d'une batterie d'accumulateurs 3, aux bornes d'une charge électrique 4 qui peut, par exemple, être constituée par un moteur électrique. Un bloc de commande 5 est également branché en parallèle sur les bornes de la charge 4. Le bloc de commande 5 est divisé en deux parties, une première partie 5a qui regroupe l'ensemble des moyens nécessaires à la commande du fonctionnement de la pile à combustible, à savoir son alimentation en hydrogène, son contrôle en température, etc... et la partie b qui regroupe les moyens de réglage du convertisseur selon l'invention, notamment un microprocesseur. Le principe de fonctionnnement du générateur selon l'invention va maintenant être décrit. - 4 - 2709873 Lors de la mise en fonctionnement, la batterie 3 alimente à la fois la charge 4 et les moyens de commande de la pile 5a qui déclenchent la mise en route de celle-ci. A cet instant, la pile à combustible 1 n'est pas encore opérationnelle; elle doit d'abord monter en température avant de fournir une énergie électrique utilisable par la charge 4. A mesure que la pile à combustible 1 commence à générer une puissance électrique suffisante, elle se substitue progressivement à la batterie 3 pour devenir la seule source d'énergie du générateur. Elle alimente alors également le bloc de commande 5. Si la charge 4 requiert une puissance électrique inférieure à celle disponible aux bornes de la pile à combustible 1, la batterie tire profit de l'excédent d'énergie électrique pour se recharger. Dans le cas contraire, la batterie 3 fournit à la charge 4 la puissance électrique qui fait défaut aux bornes de la pile à combustible. Une diode semi-conductrice 6, placée entre le convertisseur à courant continu 2 et la batterie 3, empêche les retours de courant dans la pile à combustible 1. Selon l'invention, on stabilise la tension aux bornes de la pile à combustible 1 autour d'une valeur de consigne prédéterminée, par expérience, à une valeur correspondant à un fonctionnement optimal de ladite pile à combustible. La figure 2 représente, sous forme de schéma synoptique, le contrôle en boucle d'action/réaction effectué par le microprocesseur sur la pile à combustible. Ce contrôle s'applique d'une façon plus générale à tous générateurs électriques dont on désire stabiliser la tension de sortie. Le microprocesseur 5b mesure la tension V aux bornes du générateur électrique, comme matérialisé par les flèches 7 sur les figures 1 et 2. Le microprocesseur 5b exécute alors l'organigramme simplifié représenté à la figure 3. Partant de l'étape de démarrage 9, le microprocesseur 5b compare en 10 la valeur de la tension V à une valeur limite supérieure qui a été fixée ici par l'expérience à 28 Volts. Si la tension V aux bornes du générateur électrique est supérieure à cette valeur limite supérieure, le microprocesseur provoque en 11 l'incrémentation de la valeur maximale Imax du courant traversant le convertisseur DC. - 5- 2709873 Cette augmentation de Imax accroît la demande de puissance électrique aux bornes du générateur et conduit à une diminution de la tension V. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si la tension V n'est pas supérieure à la valeur limite supérieure, le microprocesseur 5b compare en 12 la valeur de la tension V à une valeur limite inférieure qui est ici de 27 Volts. Ainsi, si la tension V est inférieure à 27 Volts, le microprocesseur 5b provoque en 13 une diminution de la valeur Imax du courant maximal traversant le convertisseur. A l'inverse du cas précédent, cette variation de Imax conduit à une augmentation de la tension V aux bornes du générateur électrique. Le microprocesseur 5b exécute ce contrôle de façon périodique, par exemple toutes les 10 ms. Les figures 4 et 5 illustrent les variations de la tension V aux bornes de la pile à combustible et de la valeur maximale Imax de courant traversant le convertisseur en cours de fonctionnement du générateur selon l'invention. La figure 4 correspond à la phase de montée en température de la pile à combustible, au début du fonctionnement du générateur. Les échelles de temps des courbes de tension et de courant sont identiques. On voit clairement sur cette figure 4 que la tension V est maintenue à l'intérieur des valeurs limites inférieure et supérieure qui sont ici de 27 et 28 Volts respectivement. Ces contrôles de la tension s'effectuent en modifiant la valeur de Imax. En effet, lors des trois intervalles de temps désignés par le chiffre de référence 14, la tension V dépasse la limite supérieure de 28 Volts. En réaction, la valeur de Imax est incrémentée jusqu'à ce que la tension V reprenne une valeur inférieure à 28 Volts. La figure 5 correspond au fonctionnement en régime normal du générateur selon l'invention, au cours de variations de la demande de charge 4. Lors d'une phase 14 o la tension V prend des valeurs supérieures à 28 Volts en raison d'une diminution de la charge 4, la valeur de Imax est incrémentée jusqu'à ce que V redescende en-dessous de 28 volts. Inversement, la charge 4 augmente lors de phases 15 au cours desquelles la tension V se situe au-dessous de la valeur limite inférieure de 27 Volts. - 6 - - 6 - 2709873 Dans ce cas, la valeur de imax est décrémentée jusqu'à ce que la tension V atteigne une valeur supérieure à 27 Volts. On comprend que le générateur selon l'invention permet de tirer le meilleur profit de la pile à combustible qui fonctionne en permanence dans des conditions optimales. Certaines situations limites doivent cependant être prises en compte par le bloc de commande 5, ces situations correspondant à des disfonctionnement du générateur ou à des risques de détérioration de la pile à combustible. Classiquement, le bloc de commande 5 intervient pour: - déconnecter la pile à combustible dans le cas o la tension V aux bornes de cette dernière demeure inférieure à la valeur minimale de bon fonctionnement de ladite pile, en dépit de la régulation de puissance effectuée par le convertisseur à courant continu; - interrompre le fonctionnement de la pile à combustible dans le cas o la tension aux bornes des accumulateurs est trop élevée ou trop faible. Il est bien entendu que le mode de réalisation qui vient d'être décrit ne présente aucun caractère limitatif et qu'il pourra recevoir toute modification désirable sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Eventuellement, un ou plusieurs régulateurs de tension ou de courant additionnels peuvent être utilisés en série avec la charge ou l'accumulateur, afin de pouvoir contrôler la puissance électrique reçue par ces appareils, suivant le type d'application. -.7- REVENDICATIONS 1 - Générateur de tension comportant une pile à combustible, un convertisseur à courant continu et un accumulateur électrique, les bornes d'entrée du convertisseur à courant continu étant reliées aux bornes de la pile à combustible et les bornes de sortie dudit convertisseur à courant continu étant montées, en parallèle avec celles de l'accumulateur, sur les bornes du générateur de tension, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de réglage (5b) du convertisseur à courant continu (2) agissant sur la valeur de l'intensité maximale (Imax) du courant traversant ledit convertisseur à courant continu (2), en fonction de la tension (V) mesurée aux bornes de la pile à combustible (1), de manière à maintenir cette tension (V) au voisinage d'une valeur de consigne prédéterminée. 2 - Générateur de tension selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de réglage (5b) du convertisseur à courant continu (2) fonctionnent en boucle d'action/réaction, la valeur de l'intensité maximale (Imax) du courant traversant le convertisseur à courant continu (2) étant incrémentée et respectivement décrémentée lorsque que la tension (V) mesurée aux bornes de la pile à combustible (1) se situe au-dessus et respectivement en-dessous de ladite valeur de consigne prédéterminée.