Brevet FR2823473A1 — publié le 20021018

8. Procédé et système de commande d'un dispositif de pIle à combustIble pour véhicule automobile. La présente invention a pour objet un procédé de commande d'un dispositif de pile à combustible destiné à équiper un véhicule automobile ainsi qu'un système de mise en oeuvre de ce procédé. De façon générale, une pile à combustible est un générateur électrochimique alimenté en hydrogène et en oxygène, notamment en air. Le montage d'une pile à combustible dans un véhicule permet d'avoir une autonomie comparable à celle d'un véhicule conventionnel à moteur thermique, tout en réduisant de façon importante les émissions de gaz carbonique et de polluants. On connâît par exemple les piles à combustible comportant une cellule à membrane échangeuse de protons (PEM) traversce pour le refroidissement par un fluide caloporteur qui permettent d'obtenir de l'énergie électrique sous forme de courant continu avec un rendement élevé à partir de l'énergie chimique sans passer par l'étape intermédiaire de la conversion thermique ou mécanique de l'énergie. La cellule de la pile à combustible est alimentée en hydrogène et en air fournissant l'oxygène. Ces gaz, envoyés dans le coeur de la pile constitué d'un empilement de cellules élémentaires o se déroulent des réactions inverses de l'électroly se de l'eau, permettent par combinai son électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène, une circulation de protons produisant un courant électrique continu ainsi que de l'eau. L'utilisation d'un carburant autre que l'hydrogène pour alimenter la pile nocessite l'implantation d'un réformeur qui produit l'hydrogène à partir d'un carburant primaire, en général un hydrocarbure tel que le méthanol, ou les carburants habituels des véhicules à moteur thermique. Le fonctionnement du réformeur nocessite de le porter à une température de l'ordre de 300 C dans le cas d'une alimentation en méthanol et de l'ordre de 600 C dans le cas d'une alimentation en essence, pour assurer la génération d'hydrogène. Pendant la phase de montée à la température de fonctionnement du réformeur, la génération d'énergie électrique par la pile à combustible est peu opérationnelle et ne peut donc alimenter convenablement le moteur électrique de traction. On pourrait envisager d'interdire le démarrage du véhicule pendant cette phase, ce qui présenterait un gros inconvénient d'utilisation. On pourrait également envisager d'alimenter le moteur électrique par une source auxiliaire d'énergie comme des batteries électrochimiques, mais qui sont généralement de masse élevoe et de faibles performances. La durce de montée en température du réformeur est actuellement estimoe à quelques minutes. L'invention a pour objet un procédé et un système de commande d'un dispositif de pile à combustible capable de supprimer ces inconvénients et en particulier de réduire la durce de la phase de montée en température du réformeur telle qu'elle est perçue par l'utilisateur du véhicule. L'invention a également pour objet un procédé et un système de commande d'un tel disposiif de pile à combustible pour véhicule automobile qui permettent au conducteur du véhicule de démarrer immédiatement et sans délai dès qu'il le souhaite. Le procédé de l'invention permet la commande d'un dispositif de pile à combustible destiné à équiper un véhicule automobile. Le dispositif comprend un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carEurant et un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant. Selon l'invention, on procède à un apprentissage en enregistrant, pendant une période de référence, le moment et la durce des arrêts du véhicule pendant lesquels le dispositif de pile à combustible est mis hors service puis on déclenche le chauffage du moyen de génération d'hydrogène avec une anticipation prédétermince avant la fin de la durée d'un arrêt ultérieur, en fonction de l'apprentissage précité. On réactuali se en outre l' apprentis sage au cours d'une période de référence lorsque la séquence des moments et durces des arrêts diffère de celle qui a été enregistrce. De cette manière, le conducteur du véhicule peut démarrer immédiatement et sans délai, la pile à combustible étant prète à fonctionner dès que le conducteur souhaite démarrer. On comprend bien entendu que l'invention est particulièrement bien adaptée au cas de véhicules généralement utilisés dans les mêmes conditions de temps et de durce, par exemple les véhicules commerciaux, les véhicules de sociétés ou analogues. De préférence, on teste également la température du moyen de génération d'hydrogène de façon à ne déclencher le chauffage que si cette température est inférieure à une valeur détermince. On évite ainsi d'avoir à chauffer exagérément le moyen de génération d'hydrogène ce qui consommerait de l'énergie inutilement. Le chauffuge peut être effectué par alimentation en carburant d'un brûleur du moyen de génération d'hydrogène afin de chauffer un réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène. On peut par exemple alimenter en hydrogène un brûleur du moyen de génération d'hydrogène en bipassant le moyen de génération d'énergie électrique pour envoyer l'hydrogène produit vers ledit brûleur afin de chauffer le réacteur principal. L'alimentation en hydrogène du brûleur peut être faite à partir d'une réserve d'hydrogène se trouvant dans le véhicule. Dans un autre mode de réalisation, le chauffage est effectué par chauffage du réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène à l'aide d'une résistance électrique alimentée par une batterie du véhicule ou, dans une variante, par la pile à combustible elle même. Le système de commande d'un dispositif de pile à combustible destiné à équiper un véhicule automobile selon l'invention, comprend un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant. Le système comprend en outre un moyen de chauffage du moyen de génération d' hydrogène, des moyens de détecti on du moment et de la durce des arrêts du véhicule pendant lesquels le dispositif de pile à combustible est mis hors service et des moyens d'enregitrement des moments et des durces des arrêts pendant une période de référence, des moyens de comparaison de ces moments enregistrés avec le moment d'un arrêt intervenant après la période de référence et des moyens pour déclencher le moyen de chauffage par anticipation avant expiration d'une durce enregistrce. Le système de commande comprend également de préférence, un moyen de détection de la température du moyen de génération d'hydrogène. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre schématiquement les principaux éléments d'un système de commande d'un dispositif de pile à combustible selon l'invention, dans un mode de réalisation; - la figure 2 illustre schématiquement les principales étapes d'une procédure d'apprentissage faisant partie du procédé de l'invention; et - la figure 3 illu stre schématiquement le s princip ales étapes du pro cédé de commande de l 'invention permettant le déc lenchement du chauffage après apprentissage. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le système de commande est destiné à coopérer avec une pile à combustible 1 capable de fournir de l'énergie électrique à un moteur électrique 2 agissant sur le système de traction du véhicule référencé 3 dans son ensemble. La pile à combustible 1 est alimentée en hydrogène par un réformeur 4 disposé à l'intérieur d'un manteau d'isolation thermique 5 et capable d'être alimentée par la flèche 6 en carburant approprié destiné à être transformé en hydrogène dans le réformeur. La pile à combustible 1 alimente également en énergie électrique différents accessoires du véhicule schématisés par le bloc 7, tels que les feux de signalisation, la climatisation, etc. Une batterie d'accumulateurs 8 est branchée en aval de la pile à combustible 1. La pile à combustible comporte différents organes auxiliaires schématisés par le bloc 9, tels que compresseur, pompe, circuit de refroidissement, etc., permettant le fonctionnement de l'ensemble et alimentés en énergie électrique soit par la batterie 8, soit par la pile 1 elle-même. Un capteur de température 1O est relié au réformeur 4 et fournit un signal à une unité de commande électronique UCE 11, qui peut être par exemple le superviseur du véhicule. Un dispositif 12 de détection de l'arrêt du véhicule, fournit également un signal à l'unité de commande électronique 11. s Enfin, un dispositif de chauffage, référencé 13 dans son ensemble, peut être déclenché par un signal provenant de l'unité de commande électronique 11, de fa,con à fournir de l'énergie thermique par la flèche 14 au réformeur 4, afin de placer ce dernier à une température, par exemple de l'ordre de 300 C pour un réformage de méthanol permettant d'assurer une génération convenable d'hydrogène susceptible de permettre le fonctionnement de la pile à combustible 1 et l'alimentation du moteur électrique 2. On notera que le manteau d'isolation thermique 5 du réformeur 4 est capable de maintenir la température de celui-ci au-dessus d'une valeur de seuil Ts pendant une durce minimum Ds. La température Ts est définie comme étant la température minimale qui permet au système de traction équipé de la pile à combustible 1 d'assurer des performances correctes sans dogradation. Autrement dit, pour des températures inférieures à la température Ts, le réformeur 4 alimentant la pile à combustible 1 en hydrogène doit être réchauffé pour atteindre son niveau de fonctionnement convenable. Selon la présente invention, le conditionnement thermique du réformeur 4 est fait de manière anticipée sur commande de l'unité de commande électronique 11, c'est-à-dire avant même la mise en route du véhicule par le conducteur au moyen d'un apprentissage du scénario d'utilisation journalière du véhicule. Bien entendu, l'invention est surtout adaptée à des véhicules ayant une utilisation journalière répétitive, toute modification importante du scénario d'utilisation nocessitant un apprentissage spécifique et donc une période de recalibration du système au cours de laquelle l' anticipation du réchauffage du réformeur 4 est inhibée. La figure 2 illustre schématiquement une procédure d'apprentissage de l'unité de commande électronique UCE 11. L'unité de commande électronique 11 enregistre le nombre et la durce des arrêts effectués par le véhicule au cours d'une période de référence, par exemple de 24 heures. Un arrêt du véhicule est défini comme étant le temps pendant lequel le véhicule est mis hors utilisation (contact coupé) pendant une durce supérieure ou égale à la durce Ds, c'est-à-dire une durce qui nocessite un réchauffage du réformeur 4. Comme illustré à la figure 2, 1'UCE 11 scrute en permanence différentes étapes. A l'étape 15, le temps T étant à 0, le signal flag d'arrêt également à 0 et un autre signal flag à 0, le système vérifie si le contact est coupé à l'étape 16, ce qui correspond effectivement à un arrêt du véhicule. L'UCE 11 mesure la durce de l'arrêt à l'étape 17 en incrémentant la variable T. L'étape 18 permet de comparer le temps écoulé à la durce minimale Ds. Si la durce de l'arrêt T est inférieure à la durce minimale Ds, l'heure est notée à l'étape 19. Le signal flag est passé à 1 à l'étape 20. Une nouvelle comparaison de la durce de l'arrêt par rapport à la durce minimale Ds est effectuce à l'étape 21. Si la durce de l'arrêt T est inférieure à la durce minimaleDs, le système revient à l'étape 16. Dans le cas contraire, c'est-à dire si la durce de l'arrêt constatée est supérieure à la durce minimale Ds, le flag d'arrêt est mis à la valeur 1 à l'étape 22 et le système revient à l'étape 16. A l'étape 18, si 1'UCE 11 constate que la durce de l'arrêt est supérieure à la durce minimale Ds, le système va directement à l'étape 21. A l'étape 16, si le contact n'est pas coupé, ce qui signifie que le véhicule n'est pas à l'arrêt, le système teste à l'étape 23 le flag d'arrêt. Si celui-ci est à 0, le système est réinitialisé à l'étape 24 en replaçant la variable T à 0 et le flag à 0, puis on passe à l'étape 16. A l'étape 23, si le flag d'arrêt est à 1, l'étape 25 permet l'enregistrement d'un arrêt, de l'heure du début de cet arrêt qui est notée Hréf ou heure de référence, ainsi que de la durce de cet arrêt dréf. On passe ensuite à l'étape 25a, au cours de laquelle on remet à 0 le flag, le flag d'arrêt et on réinitialise l'heure d'arrêt et la durce T qui est remise à 0, le système étant alors prêt à enregistrer les caractéristiques d'un autre arrêt (heure de début et durce). On comprend que cet apprentissage permet ainsi, pendant un arrêt supérieur à la durce minimale Ds nocessitant un réchauffage du réformeur, de mesurer la durce de l'arrêt et de noter le début d'un tel arrêt. Dès le départ du véhicule, après cet arrêt, ces donnces sont enregistrces. L'opération est répétée pour chaque arrêt au cours de la période de référence de façon à constituer une série de séquences des différents arrêts du véhicule pendant la période de référence, mémorisce dans 1'UCE 11. Pendant cette période d'apprentissage, l'anticipation du réchauffage par action sur le dispositif de chauffage 13 est provisoirement inhibée, ce qui oblige le conducteur à attendre la montée en température du réformeur pour démarrer effectivement son véhicule. Au contraire, lorsque la phase d'apprentissage est termince, le système de l'invention est capable de procéder automatiquement au conditionnement thermique nocessaire et ce, par anticipation. La figure 3 illustre un tel fonctionnement. L'unité de commande électronique UCE 11 scrute en continu les différentes étapes illustrces sur la figure 3. A l'étape 26, un flag est mis à 0 et la valeur H correspondant à un moment déterminé est réinitialisce. On passe à l'étape 27, o le système teste si le contact du véhicule est coupé. Si c'est le cas, on passe à l'étape 28 o l'on teste la valeur du flag. Si celui-ci est égal à 0, on passe à l'étape 29 o la valeur H est mise à l'heure, puis à l'étape 30 o le flag est mis à la valeur 1. Le système passe alors à l'étape 31, de façon à tester si la valeur H se trouve entre deux valeurs H de référence Hréf + h qui correspond à quelques minutes d'imprécision par rapport à l'heure de référence Hréf qui a été mémorisoe dans une séquence d'arrêts à la suite de l'apprentissage. Si le résultat du test est positif, c'est à-dire que l'on se trouve bien à un moment qui correspond à un début d'arrêt mémorisé lors de l'apprentissage, on passe à l'étape 32, o le système teste l'heure par rapport à l'heure de début d'arrêt de référence Hréf additionnce de la durce de l'arrêt de référence dréf et en retranchant une durce d'anticipation prédétermince qui est celle nocessaire à la mise en température du réformeur 4. Si le résultat de la comparaison est positif, on passe à l'étape 33. L'UCE 11 teste alors le signal provenant du capteur de température 10 afin de vérifier si la température du réformeur est inférieure à la valeur de seuil Ts. Si c'est le cas, le système passe à l'étape 34, 1'UCE 11 fournissant un signal de mise en route au dispositif de chauffage 13. Si à l'étape 28, il apparâît que le flag a été mis à 1, le système passe directement à l'étape 32. Si à l'étape 32, le système détecte qu'il n'est pas encore temps d'envisager une mise en marche du chauffage, on revient à l'étape 27. Si à l'étape 33, le système détecte que la température du réformeur est supérieure à la température de seuil Ts, on passe à l'étape 35 qui vérifie à nouveau si le contact du véhicule est coupé. Si c'est le cas, c'est-à-dire que le véhicule est à l'arrêt, on revient à l'étape 33. Si au contraire, le contact n'est pas coupé, on revient à l'étape 27. Si à l'étape 27, le système détecte que le véhicule n'est pas à l'arrêt, le contact n'étant pas coupé, on passe à l'étape 27a o la valeur H est réinitialisce et le flag remis à zéro, puis le système revient à l'étape 27. L'UCE 11 est également capable de réactualiser l'apprentissage effectué au cours de la première période de référence lorsqu'il apparâît que la séquence des arrêts diffère de celle qui a fait l'objet d'un enregistrement lors de la période d'apprentissage précédente. Cela est détecté à l'étape 31, lorsqu'il appara^t une différence dans l'heure d'arrêt effective par rapport à l'heure d'arrêt enregistrce lors de la période d'apprentissage enregistrce. Le système passe alors à l'étape 36, qui réali se un effacement de la procédure d'apprentis sage précédente et qui rcenclenche à l'étape 37 une nouvelle procédure d'apprentissage qui se fait alors comme indiqué précédemment en référence à la figure 2. Lors de la prochaine période de référence, l'unité de commande électronique utilisera cette nouvelle séquence apprise pour générer les cornmandes de chauffage du réformeur. Le conditionnement thermique du réformeur 4 par le dispositif de chauffage 13 peut être réulisé de façon classique par différents moyens. C'est ainsi que l'on peut alimenter un broleur dont le réformeur 4 est équipé avec un carburant capable de chauffer le réacteur principal du réformeur j u squ'à atteindre la température d' activation convenable. Un tel mode de réalisation nocessite de dimensionner convenablement un brûleur spécifique afin de respecter le temps de préconditionnement souhaité. Une variante de ce système peut consister à alimenter à haut débit en carburant le réformeur et à bipasser le coeur de la pile à combustible. Le débit sortant du réformeur est alors envoyé dans un brûleur qui utilise l'hydrogène en sur-stocchiométrie et maintient le réacteur du réformeur à une température convenable. Cette variante permet d'éviter l'utilisation d'un brûleur spécifique en carburant pour le démarrage. On peut également envisager de procéder au chauffage par une résistance électrique alimentée par la batterie 8 du véhicule qui constitue une source auxiliaire de puissance. La valeur et la puissance de cette résistance devront alors être dimensionnces en fonction de la tension de la batterie et du temps de préconditionnement souhaité. On peut également envisager d'utiliser pour le dispositif de chauffuge une résistance électrique alimentée par la pile à combustible 1. Là encore, on dimensionnera la valeur et la puissance de cette résistance en fonction de la tension de la pile à basse température et basse pression en air et en fonction du temps de préconditionnement souhaité. La présente invention permet ainsi, dans le cas d'une utilisation répétitive d'un véhicule (utilisation similaire tous les jours), de supprimer ou de réduire le délai nocessaire au démarrage à froid du véhicule grâce à la mise en température du réformeur équipant la pile à combustible. Le conditionnement thermique du dispositif est totalement transparent pour le conducteur puisque c'est l'unité de commande électronique du véhicule qui anticipe le conditionnement thermique, de sorte que le conducteur peut démarrer le véhicule immédiatement et sans attendre. REVENDICATIONS 1- Procédé de commande d'un dispositif de pile à combustible destiné à équiper un véhicule automobile et comprenant un moyen de génération d'hydrogène à partir d'un autre carburant et un moyen de génération d'énergie électrique à partir dudit hydrogène et d'un comburant, caractérisé par le fait que l'on procède à un apprentissage en enregistrant, pendant une période de référence, le moment et la durce des arrêts du véhicule pendant lesquels le dispositif de pile à combustible est mis hors service puis que l'on déclenche le chauffage du moyen de génération d'hydrogène avec une anticipation prédétermince avant la fin de la durce d'un arrêt ultérieur, en fonction de l'apprentissage précité. 2-Procédé de commande selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'on réactualise l'apprentissage au cours d'une période de référence lorsque la séquence des moments et durces des arrêts diffère de celle qui a été enregistrce. 3-Procédé de comrnande selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que l'on teste la température du moyen de génération d'hydrogène et qu'on ne déclenche le chauffage que si cette température est inférieure à une valeur détermince. 4-Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le chauffage est effectué par alimentation en carburant d'un brûleur du moyen de génération d'hydrogène afin de chauffer un réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène. -Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le chauffage est effectué par alimentati on en hy drogène d' un brûleur du moyen de génération d'hydrogène en bipassant le moyen de génération d'énergie électrique pour envoyer l'hydrogène produit vers ledit brûleur afin de chauffer un réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène. 6-Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que le chauffage est effectué par al ime ntati on e n hy dro gène d' un b rûl eur du mo y en de g énératio n d'hydrogène à partir d'une réserve d'hydrogène afin de chauffer un réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène. 7-Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que le chauffage est effectué par chauffage du réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène au moyen d'une résistance électrique alimentée par une batterie du véhicule. 8-Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que le chauffage est effectué par chauffage du réacteur principal du moyen de génération d'hydrogène au moyen d'une résistance électrique alimentée par la pile à combustible. 9-Système de commande d'un dispositif de pile à combustible destiné à équiper un véhicule automobile et comprenant un moyen de génération d'hydrogène (4) à partir d'un autre carburant et un moyen de génération d'énergie électrique ( 1) à partir dudit hydrogène et d'un comburant, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen de chauffuge (13) du moyen de génération d'hydrogène (4), des moyens (12) de détection du moment et de la durce des arrêts du véhicule pendant lesquels le dispositif de pile à combustible est mis hors service et des moyens ( 1 1) d' enregi strement des moments et de s durce s des arrêts pendant une période de référence, des moyens de comparaison de ces moments enregistrés avec le moment d'un arrêt intervenant après la période de référence et des moyens pour déclencher le moyen de chauffage (13) par anticipation avant expiration d'une durce enregistrce. lO-Système de commande selon la revendication 9 caractérisé par le fait qu 'il comprend un moyen de détecti on de la température du