Brevet FR2871949A1 — publié le 20051223

PROCEDE DE SURVEILLANCE D'UN OU PLUSIEURS PARAMETRES PHYSIQUES ET PILE A COMBUSTIBLE L'UTILISANT. L'invention concerne, de façon générale, les techniques de contrôle de systèmes dynamiques. Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un procédé de surveillance d'au moins un paramètre physique de base partiellement représentatif au moins d'un fonctionnement d'un système dynamique physique, ce procédé comprenant une opération de mesure. Beaucoup de systèmes dynamiques physiques ne peuvent être pilotés de façon efficace et sûre que sur la base d'une connaissance fine de leur état interne, ce dernier pouvant généralement être reconstruit à partir de paramètres physiques directement mesurables. Néanmoins, certains systèmes ne manifestent leur état interne que sous la forme de paramètres dont la mesure directe est difficile ou impossible. Par exemple, l'état de fonctionnement d'une pile à combustible dépend de façon très critique de sa température interne, c'est-à-dire plus précisément la température de l'empilement que forment ses cellules, cette température n'étant en pratique pas directement mesurable. En conséquence, non seulement il est alors nécessaire d'estimer cette température au moyen de mesures indirectes, mais il est en plus nécessaire d'écarter toute erreur systématique de mesure telle que celle qui peut résulter, par exemple, de l'emploi d'un capteur défectueux. Une approche traditionnelle en surveillance et diagnostic de pannes consiste à prévoir une redondance physique des organes de mesure et de contrôle, c'est-à-dire à multiplier le nombre des capteurs, des actionneurs et des calculateurs. Si cette approche présente l'avantage d'une grande simplicité conceptuelle, elle a en revanche l'inconvénient d'entraîner une augmentation sensible des coûts de fabrication et de l'encombrement des systèmes qui l'utilisent. Dans ce contexte, l'invention a pour but de proposer une approche qui, tout en permettant l'identification d'éventuelles pannes, offre une alternative à la voie d'une redondance physique systématique. A cette fin, le procédé de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l'opération de mesure consiste à obtenir, au moyen d'un ensemble de m capteurs, où m est un nombre entier supérieur à deux, un ensemble de m mesures correspondantes respectivement représentatives de m paramètres physiques mesurables liés au premier paramètre physique de base, et en ce que ce procédé comprend en outre une opération d'analyse consistant au moins à élaborer une grandeur de dispersion dont la valeur est représentative d'une dispersion des m mesures, une opération de contrôle consistant à comparer la valeur de la grandeur de dispersion à un seuil défini pour un fonctionnement normal du système dynamique, une opération de diagnostic consistant à conclure à une anomalie en cas de dépassement du seuil par la grandeur de dispersion, et une opération d'épuration consistant au moins à identifier et à écarter, en cas d'anomalie, celle des m mesures qui a la plus forte contribution à la valeur de la grandeur de dispersion. Selon un premier mode de réalisation possible de l'invention, l'opération d'analyse comprend la détermination d'un vecteur de résidus défini comme le produit d'une matrice de pondération par un vecteur de mesure ayant lesdites mesures pour composantes, la matrice de pondération ayant une norme égale à l'unité, chaque composante du vecteur de résidus étant constituée par une combinaison linéaire correspondante desdites mesures, obtenue par une pondération de ces mesures au moyen de coefficients de pondération à moyenne nulle de la matrice de pondération, et ladite grandeur de dispersion étant constituée par la norme du vecteur de résidus. Selon un second mode de réalisation possible de l'invention, l'opération d'analyse comprend la détermination, en tant que grandeur de dispersion, d'un écart type global de l'ensemble des m mesures par rapport à une valeur moyenne de ces mesures. Selon un second de ses aspects, l'invention concerne une pile à combustible comprenant une anode, une cathode et un circuit de refroidissement, cette pile étant caractérisée en ce qu'elle comprend des premier, deuxième, et troisième capteurs de température délivrant respectivement des première, deuxième et troisième mesures de température et respectivement disposés sur sa cathode, sur son circuit de refroidissement, et sur son anode, cette pile comprenant en outre un circuit de traitement de données propre à mettre en oeuvre, sur ces première, deuxième et troisième mesures de température, un procédé conforme à l'un quelconque des modes de réalisation précédemment évoqués pour estimer une température interne de cette pile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé dont l'unique figure représente schématiquement une pile à combustible mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne notamment un procédé pour surveiller un ou plusieurs paramètres physiques de base associés au fonctionnement d'un système dynamique physique, ces paramètres traduisant le fonctionnement de ce système et étant donc susceptibles d'influencer ce dernier lorsqu'ils sont imposés. Le procédé de l'invention sera décrit dans son application à la surveillance de la température interne 010 d'une pile à combustible, cette température interne 010 constituant donc un paramètre physique de base pour le système 25 dynamique constitué par cette pile 1. Une telle pile comprend, de façon connue en soi, un empilement 10 de cellules, une cathode 11 alimentée par un groupe de compression d'air 41, une anode 13 alimentée en hydrogène par un reformeur 43, et un circuit de refroidissement 12. A défaut de pouvoir mesurer directement la température interne 010 de la pile 1, c'est-à-dire la température de son empilement 10 de cellules, l'invention propose d'élaborer, au moyen de trois capteurs référencés 21 à 23, trois mesures correspondantes Tc, Tr, et Ta respectivement représentatives des trois températures Oc, Or, et Cu respectivement prises par le gaz alimentant la cathode 11, par le liquide en sortie du circuit de refroidissement 12 et par le gaz alimentant l'anode 13. En effet, compte tenu de leur proximité physique, de leurs connexions, et des échanges de flux entre eux, l'empilement 10, la cathode 11, le circuit de refroidissement 12, et l'anode 13 adoptent des températures respectives 010, Oc,Or, et Oa qui sont nécessairement liées entre elles. La pile de l'invention comprend un circuit 3 de traitement de données, propre à recevoir les mesures de température Tc, Tr, et Ta, et à délivrer en sortie une grandeur T10 représentant une estimation de la température interne 010 de la pile 1. La grandeur T10 peut être constituée par une combinaison linéaire, ou toute autre fonction appropriée, des mesures Tc, Tr, et Ta, pourvu cependant que ces mesures présentent un degré de fiabilité suffisant. Une partie essentielle de l'invention consiste justement à évaluer ce degré de fiabilité, et à écarter toute mesure 30 suspecte parmi les mesures Tc, Tr, et Ta. Pour ce faire, le procédé de l'invention, dans sa partie mise en oeuvre dans le circuit 3, comprend tout d'abord une opération d'analyse, consistant à élaborer une grandeur de dispersion dont la valeur est représentative de la dispersion des différentes mesures de température Tc, Tr, et Ta. Plus précisément, la grandeur de dispersion, qui sera notée S dans un premier mode de réalisation décrit ci-après, et a dans un second mode de réalisation également décrit ci-après, a une valeur d'autant plus élevée que les trois mesures de température Tc, Tr, et Ta sont moins voisines les unes des autres. Le procédé de l'invention comprend ensuite une opération de contrôle, qui consiste à comparer la valeur de la grandeur de dispersion, S ou a, à un seuil correspondant, noté Sseuil ou aseuil, ce seuil étant défini pour un fonctionnement normal du système dynamique que constitue la pile 1. Le procédé de l'invention comprend ensuite une opération de diagnostic, qui consiste à conclure à une anomalie en cas de dépassement du seuil Sseuil ou aseuil par la grandeur de dispersion correspondante, S ou a. Enfin, le procédé de l'invention comprend une opération d'épuration, qui est mise en oeuvre en cas d'anomalie, et qui consiste à identifier et à écarter celle des mesures Tc, Tr, et Ta qui a la plus forte contribution à la valeur de la grandeur de dispersion S ou a. Dans une telle situation, le circuit 3 modifie son algorithme standard d'estimation de la température 010 pour ne plus tenir compte de la mesure Tc, Tr, ou Ta précédemment écartée. Dans le premier mode de réalisation possible de l'invention, et sachant qu'on utilise m capteurs pour mesurer n variables (où m est un multiple entier de n), on définit: - un vecteur de mesure y, dépendant du temps t, ce vecteur ayant lesdites mesures Tc, Tr, Ta pour composantes; - une variable d'état x, dépendant du temps t; - un vecteur de panne f, dépendant du temps t (vecteur inconnu, mais égal à zéro en l'absence de panne); et - un vecteur d'instrumentation C. Ces grandeurs, qui seront indifféremment notées avec ou 15 sans explicitation de leur dépendance au temps t, sont liées entre elles par la relation: y(t) = C.x(t) + .f (t) On définit par ailleurs une matrice de pondération V telle que: V E Rm-". R" V.0 = 0 et V.VT =Im-" où Im_n est la matrice identité de dimension m-n. Dans le cas de trois capteurs tels que 21 à 23, les vecteurs y, C et V sont tels que: (1\ C= 1, et 1) ro 1 1 L'opération d'analyse comprend la détermination d'un vecteur de résidus r fonction du temps t et défini comme le produit V.y de la matrice de pondération V par le vecteur de mesure y. Le vecteur r des résidus est ainsi donné par: i 1 (Ta - Tr) r=V.y= \ (Tr + T, -2.T,) c'est-à-dire que chacune des composantes du vecteur de résidus r, ici au nombre de 2, est constituée par une combinaison linéaire correspondante des mesures telles que Tc, Tr, Ta, obtenue par une pondération de ces mesures au moyen des coefficients de pondération à moyenne nulle de la matrice de pondération V. Dans ces conditions, la grandeur de dispersion S est constituée par la norme du vecteur de résidus r, à savoir: S=rT.r V 2871949 9 Si la grandeur S est supérieure à un seuil correspondant Sseuil défini pour un fonctionnement normal du système dynamique que constitue la pile 1, le procédé se poursuit par l'opération d'épuration qui permet d'écarter la mesure défaillante. Pour ce faire, l'opération d'épuration comprend d'abord la détermination, pour chaque mesure, d'un résidu scalaire correspondant rcathode, rrefroidissement, ranode défini comme le produit, par le vecteur de résidus r, d'un vecteur viT tiré de la matrice de pondération transposée VT et relatif à cette mesure, cette opération conduisant, en l'occurrence, à rCathode = 3 É(2.T -T r - Ta) rrefroidissement = 3.(2.Tr - Te - Ta) Anode =-.(2.1a -T r -T c ) Puis, l'opération d'épuration se poursuit en écartant la mesure qui correspond au résidu scalaire dont la valeur absolue est la plus élevée. Autrement dit, si: 1 rcathode > max (I ranode 15 rrefroidissement I) , alors le capteur 21 est considéré comme défaillant et la mesure Tc est écartée. Si. rrefroidissement > max (I ranode 19 I rcathode I) , alors le capteur 22 est considéré comme défaillant et la mesure Tr est écartée. Et si. iranode I > max (I rcathode I' I rrefroidissement () alors le capteur 23 est considéré comme défaillant et la mesure Ta est écartée. Dans le second mode de réalisation possible de l'invention, et sachant qu'on utilise m capteurs pour mesurer n variables (où m est un multiple entier de n), on définit une mesure moyenne, et en l'occurrence une température moyenne T telle que: T = Ta +T r + Te L'opération d'analyse comprend la détermination, en tant que grandeur de dispersion, d'un écart type global a de l'ensemble des m mesures Tc, Tr, Ta par rapport à la valeur moyenne T de ces mesures, c'est-à-dire: (Ta T)2 +(Tc T)2 +(Tr)2 Si la grandeur de dispersion est supérieure à un seuil correspondant défini pour un fonctionnement normal du système dynamique que constitue la pile 1, c'est-à-dire si 6 > 0-Seuil alors l'opération d'épuration comprend la détermination, pour chaque mesure, d'un écart type spécifique de cette mesure par rapport à la valeur moyenne, 30 à savoir les écarts-types spécifiques suivants: 2871949 11 r 6cathode = (Tc 0-.ode \Ta f)2 0-refroidissement '---- (Tr i)2 Enfin, l'opération d'épuration est mise en oeuvre pour 5 écarter la mesure dont l'écart type spécifique est le plus élevé. Autrement dit, si: 0-cathode >maX(6anode 0-refroidissement) r alors le capteur 21 est considéré comme défaillant et la mesure Tc est écartée. Si. 0-refroidissement > maX(6anode, 0-cathode) alors le capteur 22 est considéré comme défaillant et la mesure Tr est écartée. Et si. 0-anode > maX (6cathode, 6refriodissement) r alors le capteur 23 est considéré comme défaillant et la mesure Ta est écartée. 2871949 12 REVENDICATIONS. 1. Procédé de surveillance d'au moins un paramètre physique de base (010) partiellement représentatif au moins d'un fonctionnement d'un système dynamique physique (1), ce procédé comprenant une opération de mesure, caractérisé en ce que cette opération de mesure consiste à obtenir, au moyen d'un ensemble de m capteurs (21 à 23), où m est un nombre entier supérieur à deux, un ensemble de m mesures correspondantes (Tc, Tr, Ta) respectivement représentatives de m paramètres physiques mesurables (Oc, Or, Oa) liés au premier paramètre physique de base (010), et en ce que ce procédé comprend en outre une opération d'analyse consistant au moins à élaborer une grandeur de dispersion (S,a)dont la valeur est représentative d'une dispersion des m mesures (Tc, Tr, Ta), une opération de contrôle consistant à comparer la valeur de la grandeur de dispersion (S, a) à un seuil (Sseuii, aseuil) défini pour un fonctionnement normal du système dynamique (1), une opération de diagnostic consistant à conclure à une anomalie en cas de dépassement du seuil (Sseuii, aseuil) par la grandeur de dispersion (S, a), et une opération d'épuration consistant au moins à identifier et à écarter, en cas d'anomalie, celle des m mesures (Tc, Tr, Ta) qui a la plus forte contribution à la valeur de la grandeur de dispersion (S, a). 2. Procédé de surveillance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération d'analyse comprend la détermination d'un vecteur de résidus (r) défini comme le produit (V.y) d'une matrice de pondération (V) par un vecteur de mesure (y) ayant lesdites mesures (Tc, Tr, Ta) 2871949 13 pour composantes, la matrice de pondération (V) ayant une norme (V.VT) égale à l'unité, chaque composante du vecteur de résidus (r) étant constituée par une combinaison linéaire correspondante desdites mesures (Tc, Tr, Ta), obtenue par une pondération de ces mesures au moyen de coefficients de pondération à moyenne nulle de la matrice de pondération (V), et ladite grandeur de dispersion (S) étant constituée par la norme (rT.r) du vecteur de résidus (r). 3. Procédé de surveillance suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération d'épuration comprend la détermination, pour chaque mesure, d'un résidu scalaire correspondant (rcathode, rrefroidissement, ranode) défini comme le produit (viT.r) par le vecteur de résidus (r) d'un vecteur (viT) tiré de la matrice de pondération transposée (VT) et relatif à cette mesure, et en ce que l'opération d'épuration est mise en uvre en écartant, en cas d'anomalie, la mesure correspondant au résidu scalaire (rcathode, rrefroidissement, ranode) dont la valeur absolue est la plus élevée. 4. Procédé de surveillance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération d'analyse comprend la détermination, en tant que grandeur de dispersion (a), d'un écart type global de l'ensemble des m mesures (Tc, Tr, Ta) par rapport à une valeur moyenne (T) de ces mesures. 5. Procédé de surveillance suivant la revendication 4, 30 caractérisé en ce que l'opération d'épuration comprend la détermination, pour chaque mesure, d'un écart type spécifique (acathode, arefroidissement, aanode) de cette mesure par rapport à la valeur moyenne (T) des mesures, et en ce que l'opération d'épuration est mise en uvre en écartant, en cas d'anomalie, la mesure dont l'écart type spécifique (6cathode, 6refroidissement, 6anode) est le plus élevé. 6. Pile à combustible (1) comprenant une anode (13), une cathode (11) et un circuit de refroidissement (12), caractérisée en ce qu'elle comprend des premier, deuxième, et troisième capteurs de température (21 à 23) délivrant respectivement des première, deuxième et troisième mesures de température (Tc, Tr, Ta) et respectivement disposés sur sa cathode (11), sur son circuit de refroidissement (12), et sur son anode (13), cette pile comprenant en outre un circuit (3) de traitement de données propre à mettre en oeuvre, sur ces première, deuxième et troisième mesures de température (Tc, Tr, Ta), un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes pour estimer une température interne (010) de cette pile (1).