Brevet FR2909325A1 — publié le 20080606

Dispositif d'alimentation pour une machine électrique de véhicule élec-trique à deux sources d'énerqie complémentaires l'une de l'autre. L'invention concerne un dispositif d'alimentation pour une machine électrique de véhicule électrique comprenant deux sources d'énergie corn-plémentaires l'une de l'autre, la première source d'énergie comprenant des batteries et la deuxième source d'énergie comprenant de l'hydrogène qu'une pile à combustible est chargée de convertir en énergie électrique. L'invention concerne plus particulièrement le domaine des véhicules électriques à prolongateur d'autonomie ( range extender ) comportant en plus des batteries une deuxième source d'énergie. Cette source d'énergie est constituée, dans le contexte plus particulier de l'invention, d'hydrogène converti à la demande en énergie électrique par une pile à combustible. Une pile à combustible permet d'obtenir un courant électrique par oxydation d'un combustible, idéalement de l'hydrogène sur une première électrode de la pile et une réduction de l'oxygène sur une seconde électrode. Cette réaction d'oxydoréduction produit de l'énergie et de l'eau. Ce principe simple n'est cependant pas aisé à mettre en oeuvre dans un véhicule. En effet, l'hydrogène nécessaire à la réaction chimique doit être soit stocké à bord, soit produit à bord. Par ailleurs, il est nécessaire de prévoir des éléments auxiliaires pour le fonctionnement de la pile à combustible. Ces éléments augmentent l'encombrement du dispositif de pile à combustible et son coût. L'invention a pour but de résoudre ce problème d'encombrement. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation pour une machine électrique d'un véhicule électrique comprenant deux sources d'énergie complémentaires l'une de l'autre, la première source d'énergie comprenant des batteries et la deuxième source d'énergie comprenant une pile à combustible et de l'hydrogène que la pile à combustible est chargée de convertir en énergie électrique caractérisé en ce qu'il comporte : 2909325 2 - des moyens de gestion des demandes de puissance propres, lors-que le niveau de charge des batteries est supérieur à un seuil inférieur lors du fonctionnement du véhicule, à : - commander la charge des batteries uniquement par la puis- 5 sance fournie par la machine électrique; et - n'utiliser la pile à combustible que pour fournir de la puissance à la machine électrique et non pour la charge des batteries, et en ce qu'il comporte des moyens de connexion des batteries à une source de puissance 10 auxiliaire différente de la pile à combustible pour la charge des batteries (13) lors de la phase d'arrêt du véhicule. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif d'alimentation comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les batteries fournissent seules la puissance à la machine électrique 15 lorsque leur niveau de charge est supérieur à un seuil supérieur ; - pour un niveau de charge des batteries compris entre le seuil inférieur et le seuil supérieur, la pile à combustible fournit à la machine électrique sa puissance maximale et les batteries fournissent à la machine électrique un complément de puissance afin que la puissance totale fournie par la pile à 20 combustible et les batteries atteigne la puissance nécessaire à la traction du véhicule ; il comporte des moyens de charge des batteries à partir du réseau de distribution électrique ; - la pile à combustible est à alimentation directe en hydrogène ; 25 - le ledit seuil inférieur du niveau de charge des batteries est compris entre 20% et 30% et ledit seuil supérieur du niveau de charge des batteries est de 95% environ ; - la puissance maximale fournie par la pile à combustible est de 20 kW à 30 kW pour une puissance de la machine électrique comprise entre 50 kW et 70 kW ; 2909325 3 - la puissance maximale fournie par la pile à combustible est de 5 kW à 10 kW pour une puissance de la machine électrique comprise entre 15 kW et 25 kW ; - il comporte un régulateur de puissance de la pile à combustible. 5 L'invention permet de résoudre le problème d'encombrement grâce à l'utilisation d'une pile à combustible de petite dimension comme générateur auxiliaire pour un véhicule électrique. Ceci permet d'étendre l'autonomie du véhicule en optimisant l'encombrement et le coût du système de pile à combustible. 10 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins joints sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement du dispositif selon l'invention ; et 15 - la figure 2 est un tableau illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Sur ces figures, la pile à combustible est notée PAC. Elle est désignée par la référence 1 sur la figure 1. La pile à combustible 1 est de faible dimension et limitée en puissance. Elle fait partie d'un système de pile à 20 combustible 3 appelé générateur de puissance comprenant en plus de la pile à combustible 1, une alimentation en air 5 de la pile à combustible 1. L'alimentation en air 5 permet de fournir de l'air et donc de l'oxygène à la pile à combustible 1. Le système de pile à combustible 3 comprend en outre un bloc d'auxiliaires 7 comprenant des équipements nécessaires au fonction- 25 nement de la pile à combustible 1 notamment des capteurs, des actionneurs, des pompes, des électrovannes etc. Ce bloc d'auxiliaires 7 est alimenté par le bus 12V 9. Ce busl2V 9 permet outre l'alimentation des auxiliaires 7 de la pile à combustible 1, l'alimentation des accessoires du véhicule par exemple 30 pour l'éclairage ou la signalisation. 2909325 4 Par ailleurs, la pile à combustible 1 est alimentée directement en hydrogène à partir de réservoirs 11 d'hydrogène (H2) situés à bord du véhicule. Le dispositif selon l'invention comporte également des batteries 13 5 à haute tension. Le véhicule comporte des moyens de connexion des batte-ries 13 à une source de puissance électrique extérieure notamment le réseau de distribution électrique 15 (220V, 50Hz) à l'aide d'un chargeur de batterie 17 pour assurer la charge des batteries 13 indépendamment de la pile à combustible 1. 10 De plus, la pile à combustible 1 est reliée à un bus à haute tension 19 par l'intermédiaire d'un régulateur de puissance (convertisseur continu-continu) 21. De la même manière, le bloc d'alimentation en air 5 de la pile à combustible 1 est, selon un mode de réalisation de l'invention, relié au bus à haute tension 19 par l'intermédiaire d'un convertisseur continu-continu 23. 15 Le bus à haute tension 19 constitue le réseau à haute tension reliant les batteries 13 et la pile à combustible 1 à une machine de traction électrique 24 du véhicule par l'intermédiaire d'un onduleur 25. Par ailleurs, un convertisseur continu-continu 26 relie le bus à haute tension 19 au bus 12V 9 qui alimente une batterie de service 12V 27. 20 Cette batterie de service 27 est une source d'énergie tampon permettant un fonctionnement des accessoires lorsque le véhicule est à l'arrêt et hors tension. Par ailleurs, le dispositif d'alimentation selon l'invention comporte une unité centrale de pilotage 28 propre à assurer l'alimentation de la ma- 25 chine de traction 24 depuis les batteries 13 et/ou la pile à combustible 1. Cette unité centrale de pilotage 28 est propre à assurer la commande de la recharge des batteries 13 soit depuis la pile à combustible 1, soit depuis la machine de traction 24 en fonction de la consigne appliquée à la machine de traction 24 et de son état de fonctionnement en génératrice ou 30 en moteur. 2909325 5 Pour ce faire, l'unité centrale de pilotage 28 est reliée au système de pile à combustible 3 et au régulateur de puissance 21 pour commander la mise en fonctionnement de la pile à combustible 1 ou son arrêt pour que celle-ci débite ou non de la puissance dans le bus à haute tension 19 au ta- 5 vers du convertisseur continu-continu et régulateur de puissance 21. Le bus à haute tension 19 est équipé d'un capteur 30 à l'entrée de l'onduleur 25 permettant de déterminer si la machine de traction 24 fonctionne en mode moteur, c'est-à-dire qu'elle consomme de l'énergie fournie depuis le bus à haute tension 19 et qu'elle entraîne le véhicule, ou si elle 10 fonctionne en mode générateur, c'est-à-dire qu'elle fournit de l'énergie électrique au bus à haute tension 19 en fournissant une force de freinage pour le véhicule. Enfin, le véhicule comporte des moyens d'application d'une consigne à la machine de traction 24, tels qu'une pédale 31 d'accélération du vé- 15 hicule. Cette pédale 31 est équipée d'un capteur de position 32, relié à l'unité centrale de pilotage 28. L'unité centrale de pilotage 28 est formée par exemple d'un calculateur programmé pour mettre en oeuvre un programme adapté permettant le fonctionnement de la pile à combustible 1 et la recharge des batteries 13 en 20 fonction de différents états de fonctionnement du véhicule comme cela sera exposé dans la suite de la description. Selon un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, un deuxième bus 24V est ajouté dans la structure de la figure 1 si certains capteurs ou actionneurs faisant partie des auxiliaires 7 de la pile à combusti- 25 ble 1 fonctionnent sous cette tension. Ce bus 24V apparaîtrait selon ce mode de réalisation sur la figure 1 de manière complètement identique au bus 12V 9. La structure du dispositif d'alimentation de véhicule électrique se- Ion l'invention étant décrite, son fonctionnement est décrit ci-dessous en réfé- 30 rente aux figures 1 et 2. 2909325 6 Dans un premier temps, le fonctionnement de la pile à combustible 1 est décrit. Son principe est similaire à celui d'une pile conventionnelle, à savoir un oxydant et un réducteur séparés par un électrolyte. Il s'agit, en particulier, d'une réaction électrochimique contrôlée entre de l'hydrogène et de 5 l'oxygène de l'air avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleur. Cette réaction utilisant des catalyseurs s'opère au sein d'une cellule élémentaire (correspondant à la pile à combustible 1) composée de deux électrodes (cathode et anode) séparées par un électrolyte. II s'agit de la ré-action inverse de l'électrolyse de l'eau. 10 Selon l'invention, l'hydrogène H2 nécessaire à la réaction est stocké dans les réservoirs 11. Il est fourni en 33 à la pile à combustible 1. Concrètement, il est introduit sous forme gazeuse au niveau de l'anode de la pile à combustible 1. Au contact de l'anode, en présence d'un catalyseur, les molécules d'hydrogène libèrent leurs électrons H2-)2H++2e . 15 Ces électrons e" rejoignent la cathode à travers le circuit électrique et réagissent avec l'oxygène de l'air, fourni par le bloc d'alimentation en air 5 en 35, grâce à l'action du catalyseur. Les protons H+ migrent vers la cathode en traversant la membrane. La réaction d'oxydoréduction qui s'ensuit crée de l'eau (2H++2e-+112 20 02- H2O). C'est le transfert des électrons qui crée le courant électrique. L'unique sous-produit de la réaction étant de l'eau, il n'y a pas d'émissions polluantes locales. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'hydrogène est stocké à bord sous forme de gaz comprimé dans les réservoirs Il amovibles. 25 Ceci présente l'avantage de pouvoir échanger très rapidement un réservoir 11 vide par un réservoir 11 plein, le remplissage des réservoirs 11 d'hydrogène étant réalisé hors du véhicule et sans contrainte de temps majeure. Par ailleurs, selon un mode de réalisation de l'invention, le bloc 30 d'alimentation en air 5 de la pile à combustible 1 est alimenté en basse ten- sion grâce au convertisseur continu-continu 23 hautelbasse tension qui reçoit 2909325 7 en 37 une haute tension du bus à haute tension 19 et la convertit en basse tension pour l'alimentation du bloc 5 du système de pile à combustible 3. La haute tension du bus 19 est délivrée par les batteries 13 en 39. Cette tension alimente en 41 l'onduleur 25 qui la convertit en tension alterna5 tive pour le fonctionnement de la machine de traction 24 du véhicule électrique. La haute tension délivrée par les batteries 13 alimente également en 43 le convertisseur continu-continu 26 qui la convertit en basse tension pour le fonctionnement des accessoires du véhicule. Les caractéristiques de l'invention résident dans la gestion des 10 demandes de puissance pour la traction du véhicule ainsi que dans le mode de charge des batteries 13. Ces caractéristiques sont décrites ci-dessous en référence aux figures 1 et 2. La figure 2 comprend un tableau qui indique les caractéristiques de la gestion des demandes de puissance entre la pile à combustible 1 et les 15 batteries 13 pour la traction du véhicule et de la charge des batteries 13 en fonction du niveau de charge des batteries 13 noté X et des phases d'accélération, décélération ou de maintien de vitesse constante du véhicule. Avant le début d'un cycle d'utilisation du véhicule, les batteries 13 sont chargées en 45 seulement depuis le réseau de distribution électrique 15 20 par l'intermédiaire du chargeur 17. A titre d'exemple, dans le cas d'un véhicule utilitaire faisant partie d'une flotte, elles sont chargées au dépôt, durant la phase de repos, ou de rotation ou d'entretien ou d'attente du véhicule. Dans le cas d'un particulier, les batteries 13 sont par exemple chargées la nuit dans un garage. 25 Au démarrage du véhicule, en particulier à froid, lors des phases de montée en température et en puissance de la pile à combustible 1, ce sont uniquement les batteries 13 qui fournissent en 39 et 41 la puissance à la machine de traction 24. Ensuite, tant que le niveau de charge X des batteries 13 est supé- 30 rieur à un seuil supérieur noté sup sur le tableau de la figure 1 (i.e. pour X>sup) et fixé à 95% dans un mode de réalisation de l'invention, les batteries 2909325 8 13 interviennent seules dans la traction du véhicule. Ce sont elles seules qui fournissent la puissance en 39 et 41 à ta machine de traction 24 dans les phases d'accélération et de vitesse constante du véhicule. Dans les phases de décélération du véhicule, la machine de traction 24 récupère de l'énergie 5 qu'elle utilise pour charger les batteries 13 en 47 et 49 à travers le bus à haute tension 19. Tant que te niveau de charge des batteries 13 est supérieur au seuil supérieur sup, la pile à combustible 1 est arrêtée et ne fournit pas de puissance électrique. Le fait que les batteries 13 interviennent seules dans la traction du 10 véhicule permet d'éviter qu'elles ne soient surchargées dans le cas, par exemple, où une succession de descentes assure une récupération d'énergie trop importante. Lorsque le niveau de charge X des batteries 13 descend en-dessous du seuil supérieur sup mais reste supérieur à un seuil inférieur noté 15 inf sur le tableau de la figure 2 et compris entre 20% et 30% selon un mode de réalisation de l'invention, chaque demande de puissance de la machine de traction 24 fait l'objet, via l'unité centrale de pilotage 28 d'une demande de puissance vers la pile à combustible 1. Dans le mode de réalisation de l'invention décrit, l'unité centrale de pilotage 28 commande alors la mise en 20 fonctionnement de la pile à combustible 1 pour qu'elle débite de la puissance dans le bus à haute tension 19 au travers du convertisseur continu-continu 21 qui fonctionne comme régulateur de puissance de la pile à combustible 1. Ainsi, pour inf REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'alimentation pour une machine électrique (24) d'un véhicule électrique comprenant deux sources d'énergie complémentaires l'une de l'autre, la première source d'énergie comprenant des batteries (13) et la deuxième source d'énergie comprenant une pile à combustible (1) et de l'hydrogène que la pile à combustible (1) est chargée de convertir en énergie électrique caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens (28) de gestion des demandes de puissance propres, lorsque le niveau de charge des batteries (13) est supérieur à un seuil infé- rieur lors du fonctionnement du véhicule, à : - commander la charge des batteries (13) uniquement par la puissance fournie par la machine électrique (24) ; et -n'utiliser la pile à combustible (1) que pour fournir de la puissance à la machine électrique (24) et non pour la charge des batteries (13) et en ce qu'il comporte des moyens de connexion des batteries (13) à une source de puissance auxiliaire (15) différente de la pile à combustible (1) pour la charge des batteries (13) lors de la phase d'arrêt du véhicule. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les batte-ries (13) fournissent seules la puissance à la machine électrique (24) lorsque leur niveau de charge est supérieur à un seuil supérieur. 3. - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour un niveau de charge des batteries (13) compris entre le seuil inférieur et le seuil supérieur, la pile à combustible (1) fournit à la machine électrique (24) sa puissance maximale et les batteries (13) fournissent à la machine électrique (24) un complément de puissance afin que la puissance totale fournie par la pile à combustible (1) et les batteries (13) atteigne la puissance nécessaire à la traction du véhicule. 4. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de charge des batteries (13) à partir du réseau de distribution électrique (15). 2909325 12 5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pile à combustible (1) est à alimentation directe en hydrogène. 6. û Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que le ledit seuil inférieur du niveau de charge des batte-ries (13) est compris entre 20% et 30% et en ce que ledit seuil supérieur du niveau de charge des batteries (13) est de 95% environ. 7. û Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance maximale fournie par la pile à combusti- 10 ble (1) est de 20 kW à 30 kW pour une puissance de la machine électrique (24) comprise entre 50 kW et 70 kW. 8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance maximale fournie par la pile à combustible (1) est de 5 kW à 10 kW pour une puissance de la machine électrique 15 (24) comprise entre 15 kW et 25 kW. 9. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un régulateur de puissance (21) de la pile à combustible (1).