Brevet FR2854502A1 — publié le 20041105

Procédé et dispositif de gestion d'un module de puissance comprenant une pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile La présente invention concerne un procédé et un dispositif de gestion d'un module de puissance comprenant une pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile. Les piles à combustible sont utilisées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Le développement de ces piles en vue de leur intégration dans des véhicules automobiles met en lumière de nouvelles contraintes. Le module de puissance embarqué sur un véhicule automobile comprend une pile à combustible, un moyen de fourniture d'hydrogène, par exemple un réformeur ou un réservoir, et un moyen de fourniture d'oxygène, par exemple un groupe de compression d' air. La pile à combustible produit de l'énergie électrique à partir de l'hydrogène produit par exemple par le réformeur et de l'oxygène fourni par le groupe de compression d' air. Le module de puissance d'un tel dispositif, particulièrement lorsqu'il contient un réformeur, possède une dynamique de réponse en puissance incompatible avec les prestations attendues par le conducteur du véhicule. L'écart entre les performances attendues et celles fournies par le module de puissance est souvent assuré par un système de stockage temporaire d'énergie, par exemple une batterie ou une super-capacité. Mais ce complément de puissance ne permet pas d'atteindre instantanément la puissance maximale à moins de disposer d'un système de stockage de très forte puissance. De plus, en fonction du roulage et de la gestion d'énergie par l'unité de contrôle électronique du véhicule, ce système de stockage peut se trouver trop déchargé au moment où le conducteur a besoin d'un surplus de puissance de traction. On a déjà imaginé diverses solutions pour tenter de résoudre ce problème. C'est ainsi que la demande de brevet WO 2001/48367 propose une solution de tampon gazeux permettant d'éviter l'utilisation d'une batterie, mais possédant les mêmes défauts que celle-ci, notamment celui de l'absence de disponibilité immédiate d'un surplus d'énergie de traction. La demande de brevet WO 2001/16021 propose un stockage d'hydrogène pouvant, entre autres, servir de tampon dans un dispositif de pile à combustible comprenant un réformeur embarqué dans un véhicule. Cette solution permet d'éviter l'utilisation d'une batterie, mais possède les mêmes défauts que celle-ci, notamment celui de l'absence de disponibilité immédiate d'un surplus d'énergie de traction. La demande de brevet US 2001/0016274 propose un stockage tampon dans les évaporateurs pour améliorer la dynamique du réformeur, mais pas assez pour obtenir une disponibilité immédiate d'un surplus d'énergie de traction. Le brevet US 6326763 propose une participation de la batterie à la puissance électrique fournie au moteur électrique durant les phases d'accélération du véhicule, favorisant l'allocation de puissance à la traction, mais sans anticiper la montée en puissance du réformeur, la disponibilité d'un surplus d'énergie n'est alors pas toujours immédiate. La demande de brevet JP 200/0315511 propose une solution augmentant la puissance allouée au moteur en cas de détection d'une rétrogradation, mais sans anticiper la montée en puissance du réformeur, la disponibilité d'un surplus d'énergie n'est alors pas toujours immédiate. Dans tous ces documents, il n'est donc pas permis d'anticiper la demande de surplus de puissance, afin d'avoir toujours une réponse instantanée du dispositif. La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés et de proposer un procédé et un dispositif de gestion de puissance permettant d'anticiper une demande de puissance maximale de la part du conducteur avant même que cette puissance soit effectivement requise par le conducteur. Le procédé de l'invention permet de gérer un module de puissance comprenant une pile à combustible, embarqué sur un véhicule automobile. On anticipe , à un premier instant, une demande de puissance maximale de la part du conducteur du véhicule, et on agit sur le module de puissance afin de produire la puissance maximale pouvant être générée par ledit module de puissance, à un deuxième instant ultérieur au premier instant. De cette façon, un conducteur pressentant un futur besoin de puissance maximale, par exemple en vue d'un dépassement, en fait la demande anticipée, et quand il en a effectivement besoin, cette puissance maximale est immédiatement disponible. Dans un mode de mise en u̇vre préféré, l'énergie générée par le module de puissance entre le premier et le deuxième instant est stockée temporairement. Ce stockage permet de valoriser le surplus de puissance généré par anticipation et non utilisé instantanément par le véhicule. La participation de la batterie à la traction en sera améliorée. Dans un mode de mise en u̇vre avantageux, on commande, à un troisième instant, une diminution de la puissance générée par le module de puissance à la suite d'une demande anticipée de puissance maximale effectuée par le conducteur et non suivie, dans un délai prédéterminé, d'une réelle demande de puissance maximale de la part dudit conducteur. Dans un mode de mise en u̇vre préféré, pour commander une diminution de puissance, on diminue la puissance générée pour atteindre le niveau de la puissance interprétée à partir de la puissance instantanée réellement demandée par le conducteur du véhicule. Dans un mode de mise en u̇vre avantageux, on arrête le module de puissance puis on le redémarre pendant une durée prédéterminée avant d'anticiper une demande de puissance maximale. De cette manière, lorsque le véhicule fonctionne uniquement avec l'énergie stockée, et qu'un besoin de redémarrer le module de puissance est détecté, suite à une demande anticipée de puissance maximale de la part du conducteur, le module de puissance est alors redémarré, Le dispositif selon l'invention permet de gérer un module de puissance embarqué sur un véhicule automobile. Le module de puissance comprend une pile à combustible, un moyen pour alimenter en hydrogène la pile à combustible, et un moyen pour alimenter en oxygène la pile à combustible.De plus, le dispositif comprend une unité de contrôle électronique du véhicule, des moyens de stockage et déstockage d'énergie électrique, un moteur électrique, ainsi que des moyens actionnables par le conducteur pour transmettre à l'unité de contrôle électronique une demande anticipée de puissance maximale pouvant être générée par le module de puissance. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens actionnables par le conducteur comprennent un bouton-poussoir, une pédale, un levier, ou une interface à identification vocale. Ces moyens sont des interfaces conviviales pour le conducteur. Dans un mode de réalisation avantageux, l'unité de contrôle électronique comprend des moyens logiciels pour gérer le module de puissance, les moyens de stockage et de déstockage d'énergie électrique, et le moteur électrique. En outre, l'unité de contrôle électronique comprend des moyens logiciels de traitement d'une demande de puissance de la part du conducteur. Cette demande de puissance comprend une demande de puissance réelle instantanée et une demande anticipée de puissance maximale pouvant être générée par le module de puissance. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est un ensemble de courbes illustrant la réaction de puissance d'un dispositif de pile à combustible en l'absence de l'invention ; - la figure 3 est un ensemble de courbes illustrant la réaction de puissance d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 4 est un ensemble de courbes illustrant la réaction de puissance d'un dispositif selon l'invention dans le cas où la demande de surplus de puissance prévue n'est pas réalisée par le conducteur ;- la figure 5 est un ensemble de courbes illustrant la réaction de puissance d'un dispositif selon l'invention dans le cas où le dispositif peut et doit redémarrer le réformeur pour une demande de surplus de puissance. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un dispositif selon l'invention. Le dispositif comprend une pile à combustible 1, un moyen d'alimentation en hydrogène 2, par exemple un réformeur, et un moyen d'alimentation en oxygène 3, par exemple un groupe de compression d'air. Le dispositif comprend également un moteur électrique 4, son électronique 5 associée, une interface électrique 6, des moyens de stockage et déstockage d'énergie électrique 7, comme une source auxiliaire de puissance de type batterie, et une unité de contrôle électronique 8 du véhicule.Le dispositif comprend en outre des moyens de transmission de la demande de puissance réelle instantanée du conducteur à l'unité de contrôle électronique du véhicule, comme une pédale d'accélérateur 9, et des moyens actionnables 10 par le conducteur, comme un bouton-poussoir, une pédale, un levier ou une interface vocale, pour transmettre à l'unité de contrôle électronique 8 une demande anticipée de puissance maximale pouvant être générée par le module de puissance de la pile à combustible, nécessaire à la traction du véhicule. Le groupe de compression d'air 3 fourni de l'air au reformeur 2 par une conduite 11, et à la pile à combustible 1 par une conduite 12. Le reformeur 2 alimente en hydrogène la pile à combustible 1 par une conduite 13.La pile à combustible 1 fournit de l'énergie à l'interface électrique 6 par un câble 14, et le groupe de compression d'air 3 reçoit de l'énergie de l'interface électrique 6 par un câble 15. L'échange d'énergie entre l'interface électrique 6 et la batterie 7 s'effectue par un câble 17. La pédale d'accélérateur 9 et les moyens actionnables 10 transmettent leurs instructions à l'unité de contrôle électronique 8 respectivement par l'intermédiaire des connexions 18 et 19. L'unité de contrôle électronique 8 est connectée au module de puissance par trois connexions 20, 21 et 22 respectivement au réformeur 2, au groupe de compression d'air 3 et à la pile à combustible 1.L'unité de contrôle électronique est de plus reliée à l'interface électrique 6 et à la batterie 7 respectivement par des connexions 23 et 24, ainsi qu'à l'électronique 5 associée au moteur 6 par une connexion 25. Toutes les connexions reliant l'unité de contrôle électronique 8 aux divers éléments du dispositif permettent à l'unité de contrôle électronique 8 de recevoir des informations et de commander le dispositif. Dans un mode de fonctionnement en régime établi, le réformeur 2 alimente en hydrogène l'anode de la pile à combustible 1 par la conduite 13, et le groupe de compression d'air 3 alimente en oxygène la cathode de la pile à combustible 1 par la conduite 12. L'unité de contrôle électronique 8 du véhicule reçoit deux types de demandes de puissance de la part du conducteur, pour la traction du véhicule. Le premier type est une demande instantanée faite par l'intermédiaire de la pédale d'accélérateur 9 et transmise par la connexion 18. Il s'agit de la puissance réelle instantanée demandée par le conducteur. Le second type est une demande anticipée de puissance maximale pouvant être générée par le module de puissance de la pile à combustible 1, faite par l'intermédiaire des moyens actionnables 10 et la connexion 19.Cette demande anticipée est effectuée par le conducteur lorsqu'il pense qu'il va bientôt avoir besoin d'un surplus de puissance, par exemple pour effectuer un dépassement d'un autre véhicule. L'unité de contrôle électronique 8 du véhicule comprend des moyens logiciels d'interprétation de ces demandes de puissance du conducteur. En fonction de ces demandes, l'unité de contrôle électronique 8 commande la production d'hydrogène et l'alimentation en oxygène pour la pile à combustible 1, respectivement par les connexions 20 et 21, afin de gérer, par la connexion 22, la production d'énergie électrique de la pile à combustible 1 nécessaire au fonctionnement du moteur 4, ainsi que le stockage et le déstockage d'énergie électrique dans la batterie 7.Le stockage et le déstockage d'énergie électrique dans la batterie 7 est commandée par l'unité de contrôle électronique 8 au moyen de la connexion 24 et par l'intermédiaire de l'interface électrique 6 commandée par l'unité de contrôle électronique 8 au moyen de la connexion 23. L'énergie électrique circule entre la pile à combustible 1, l'interface électrique 6, la batterie 7 et le moteur 4 associé à son électronique 5 au moyen des câbles 14, 16 et 17. La figure 2 présente l'évolution, au cours du temps de diverses puissances en l'absence de l'invention, c'est-à-dire sans dispositif d'anticipation de demande de puissance. La courbe C21 représente la demande de puissance instantanée, de la part du conducteur, effectuée par la pédale d'accélérateur 9. La courbe C22 représente la demande de puissance interprétée par les moyens logiciels d'interprétation de demande de puissance du conducteur de l'unité de contrôle électronique 8. Enfin, la courbe C23 représente la puissance réellement fournie par le module de puissance. Depuis un instant initial t20 la demande de puissance du conducteur est constante, ainsi que la demande de puissance interprétée par l'unité de contrôle électronique 8 du véhicule et que la puissance réelle générée par le module de puissance.A un instant t21, le conducteur effectue une demande de surplus de puissance (C21), instantanément interprété par l'unité de contrôle électronique 8 du véhicule (C22) qui commande une augmentation de la puissance à fournir. Il faut alors attendre l'instant t22, pour que la puissance fournie (C23) ait atteint la puissance commandée par l'unité de contrôle électronique 8 du véhicule (C22). La durée séparant les deux instants t21 et t22 est de l'ordre de 2 à 10 secondes, à condition que le réformeur 2 soit déjà démarré. Il est donc clair que ce délai de réponse est trop long, et peut même être dangereux, au cas où par exemple le surplus d'énergie serait demandé dans l'intention d'effectuer un dépassement.La figure 3 présente l'évolution, au cours du temps de diverses puissances pour un dispositif d'anticipation selon l'invention, dans le cas ou le surplus de puissance demandé par anticipation est effectivement consommé ultérieurement. La courbe C31 représente la demande de puissance instantanée demandée par le conducteur par la pédale d'accélérateur 9. La courbe C32 représente la demande de puissance interprétée par les moyens logiciels d'interprétation de demande de puissance du conducteur de l'unité de contrôle électronique 8. Enfin, la courbe C33 représente la puissance réellement fournie par le module de puissance. Depuis un instant initial t30 la demande de puissance du conducteur est constante, ainsi que la demande de puissance interprétée par l'unité de contrôle électronique 8 et la puissance réelle fournie par le module de puissance.A un instant t31, le conducteur effectue une demande de puissance maximale par anticipation en agissant sur les moyens actionnables 10. L'unité de contrôle électronique 8 commande alors au module de puissance d'augmenter sa puissance. A un instant t32, le module de puissance génère sa puissance maximale demandée par anticipation par le conducteur. A un instant t33, le conducteur agit sur la pédale d'accélérateur 9 et fait effectivement une demande de puissance maximale. Instantanément, l'unité de contrôle électronique du véhicule interprète cette demande et commande au module de puissance de fournir un surplus de puissance, ce qui est réalisé instantanément, car la demande de puissance par anticipation a eu le temps d'être prise en compte.Durant l'intervalle de temps séparant les instants t31 et t33, le surplus d'énergie électrique fourni par le module de puissance est stocké dans la batterie 7. Ce stockage permet d'avoir un surplus d'énergie immédiatement disponible quand le conducteur en a effectivement besoin. Cette énergie électrique quitte la pile à combustible 1 par la câble 14, et est dirigé vers la batterie 7 à travers le câble 17 par l'interface électrique 17 commandée par l'unité de contrôle électronique 8 au moyen de la connexion 23. Le déstockage d'énergie électrique est commandé par l'unité de contrôle électronique 8 au moyen de la connexion 24 et par l'interface électrique 6, commandée par l'unité de contrôle électronique 8 au moyen de la connexion 23.Lors du déstockage, l'énergie électrique est transférée de la batterie 7 au moteur 4 associé à son électronique 5 par les câbles 17 et 16. La figure 4 présente l'évolution, au cours du temps, de diverses puissances pour un dispositif d'anticipation selon l'invention, lorsque la demande de puissance maximale demandée par anticipation par le conducteur n'est pas utilisée. La courbe C41 représente la demande de puissance instantanée demandée par le conducteur à travers la pédale d'accélérateur 9. La courbe C42 représente la demande de puissance interprétée par les moyens logiciels d'interprétation de demande de puissance du conducteur de l'unité de contrôle électronique 8. Enfin, la courbe C43 représente la puissance réellement fournie par le module de puissance.Depuis un instant initial t40 la demande de puissance du conducteur est constante, ainsi que la demande de puissance interprétée par l'unité de contrôle électronique 8 et que la puissance réelle fournie par le module de puissance. A un instant t41, le conducteur effectue une demande de puissance par anticipation en agissant sur les moyens actionnables 10. L'unité de contrôle électronique 8 commande alors au module de puissance d'augmenter sa puissance fournie. A un instant t42, le module de puissance fournit le surplus de puissance demandé par anticipation par le conducteur. A un instant t43, le conducteur demande un très léger surplus de puissance par la pédale d'accélérateur 9, donc la forte demande de surplus de puissance de traction ne se produit pas.Alors au bout d'une durée prédéterminée t_Pmax, séparant l'instant t41 d'un instant t44, l'unité de contrôle électronique 8 commande le module de puissance, de manière à revenir à un fonctionnement normal, c'est-à-dire à un fonctionnement où la puissance fournie par le module de puissance est égale à la puissance interprétée par l'unité de contrôle électronique 8 à partir d'un instant t45. Entre les instants t41 et t45, le surplus d'énergie électrique générée par le module de puissance est avantageusement stocké dans la batterie 7. La figure 5 présente l'évolution, au cours du temps de diverses puissances pour un dispositif d'anticipation selon l'invention, lorsque l'unité de contrôle électronique 8 peut arrêter le module de puissance lors du roulage. Le véhicule est alors uniquement entraîné par la batterie 7.Le dispositif est alors apte à forcer le démarrage du réformeur 2 avant sa montée en puissance. La courbe C51 représente la demande de puissance instantanée demandée par le conducteur par la pédale d'accélérateur 9. La courbe C52 représente la demande de puissance interprétée par les moyens logiciels d'interprétation de demande de puissance du conducteur appartenant à l'unité de contrôle électronique 8. Enfin, la courbe C53 représente la puissance réellement fournie par le module de puissance. Depuis un instant initial t40 la demande de puissance du conducteur est constante, ainsi que la demande de puissance interprétée par l'unité de contrôle électronique 8 et que la puissance réelle fournie par le module de puissance. A un instant t51, le conducteur effectue une demande de puissance anticipée par les moyens actionnables 10.L'unité de contrôle électronique 8 commande alors au module de puissance d'augmenter sa puissance fournie, en forçant tout d'abord le redémarrage du réformeur 2. Ce redémarrage dure t_dem, jusqu'à l'instant t52 ou le réformeur 2 est apte à fonctionner normalement. A un instant t54, le module de puissance fournit le surplus de puissance demandé par anticipation par le conducteur. Entre temps, sur cet exemple, le conducteur demande, à l'instant t53, un très léger surplus de puissance, donc la forte demande de surplus de puissance de traction ne se produit pas.Alors au bout d'une durée prédéterminée t_Pmax + t_dem, séparant l'instant t51 d'un instant t55, l'unité de contrôle électronique 8 commande le module de puissance, de manière à revenir à un fonctionnement normal, c'est-à-dire à un fonctionnement où la puissance fournie par le module de puissance est égale à la puissance interprétée par l'unité de contrôle électronique 8 à partir d'un instant t56. Entre les instants t52 et t56, le surplus d'énergie électrique généré par le module de puissance est stocké dans la batterie 7. L'invention permet d'obtenir une dynamique de réponse de puissance de traction satisfaisant les attentes du conducteur, en lui permettant d'obtenir une puissance maximale de traction au moment où il en a besoin, sans délai de réponse du dispositif. Le dispositif selon l'invention est d'un surcoût et d'un surpoids négligeable comparé à des systèmes de tampon énergétiques. Le dispositif permet en outre de gérer et stocker ce surplus de puissance anticipé, lorsque celui-ci n'est pas effectivement demandé ultérieurement par le conducteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion d'un module de puissance comprenant une pile à combustible (1), embarqué sur un véhicule automobile, caractérisé par le fait que : - on anticipe, à un premier instant, une demande de puissance maximale de la part du conducteur du véhicule ; et - on agit sur le module de puissance afin de produire la puissance maximale pouvant être générée par ledit module de puissance, à un deuxième instant ultérieur au premier instant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'énergie générée par le module de puissance entre le premier et le deuxième instant est stockée temporairement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on commande, à un troisième instant, une diminution de la puissance générée par le module de puissance à la suite d'une demande anticipée de puissance maximale effectuée par le conducteur et non suivie, dans un délai prédéterminé, d'une réelle demande de puissance maximale de la part dudit conducteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que pour commander une diminution de puissance, on diminue la puissance générée pour atteindre le niveau de la puissance interprétée à partir de la puissance instantanée réellement demandée par le conducteur du véhicule. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on arrête le module de puissance puis on le redémarre pendant une durée prédéterminée avant d'anticiper une demande de puissance maximale. 6. Dispositif de gestion d'un module de puissance embarqué sur un véhicule automobile, ledit module comprenant : - une pile à combustible (1) ; - un moyen (2) pour alimenter en hydrogène la pile à combustible (1) et un moyen (3) pour alimenter en oxygène la pile à combustible (1) ; le dispositif comprenant : - une unité de contrôle électronique (8) du véhicule ; - des moyens (7) de stockage et déstockage d'énergie électrique ; et - un moteur électrique (4) ; caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens actionnables (10) par le conducteur pour transmettre à l'unité de contrôle électronique (8) une demande anticipée de puissance maximale pouvant être générée par le module de puissance. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les moyens actionnables (10) par le conducteur comprennent un bouton-poussoir, une pédale, un levier, ou une interface à identification vocale. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que l'unité de contrôle électronique (8) comprend des moyens logiciels pour gérer le module de puissance, les moyens (7) de stockage et de déstockage d'énergie électrique, et le moteur électrique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que l'unité de contrôle électronique (8) comprend des moyens logiciels de traitement d'une demande de puissance de la part du conducteur, ladite demande de puissance comprenant une demande de puissance réelle instantanée et une demande anticipée de puissance maximale pouvant être générée par le module de puissance.