Brevet FR2900502A1 — publié le 20071102

Dispositif et procédé de commande du débit d'air pour pile à combustible. L'invention concerne un dispositif et un procédé de commande du débit d'air pour pile à combustible avec reformage, destiné à générer une puissance électrique d'alimentation au moteur de traction d'un véhicule automobile. Un système 1 d'alimentation électrique par pile à combustible 2, permettant de générer de la puissance électrique à partir de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air tel que représenté schématiquement sur la figure 1, comporte un reformeur 3, permettant de générer de l'hydrogène à partir d'un carburant 4 tel que de l'essence ou de l'éthanol par exemple, associé à un brûleur 5 destiné à élever la température du reformer. Il comprend également un ensemble d'équipements auxiliaires tels qu'un compresseur d'air motorisé 6 suivi d'un refroidisseur 7 d'air, un turbocompresseur 8 actionné par les gaz d'échappement du brûleur, un circuit d'eau avec un réservoir 9 entre autres. Une pile à combustible est un générateur de courant qui transforme l'énergie d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue. Elle comprend principalement deux électrodes reliées extérieurement par un circuit électrique, et séparées par un électrolyte. L'anode A est alimentée par de l'hydrogène provenant du reformeur 3 et la cathode C est alimentée par l'oxygène de l'air. Ce courant électrique produit alimente le moteur électrique de traction du véhicule et une batterie de stockage. Le reformeur produit de l'hydrogène, à partir d'un hydrocarbure riche en hydrogène H2, en présence d'air et par catalyse, ainsi que du monoxyde de carbone CO entre autres qui risque de polluer la pile à combustible. Pour pallier cet inconvénient, le reformeur ajoute de l'eau pour le transformer en dioxyde de carbone CO2. Cette eau peut être obtenue par condensation de la vapeur produite par la pile et récupérée dans des condenseurs 10. L'oxygène devant alimenter la cathode provient de l'air fourni par le compresseur d'air 6 motorisé, qui alimente également le reformeur 3. Il est important de comprimer l'air pour que sa pression, à l'entrée de la cathode de la pile à combustible, soit voisine de deux bars afin que la pile ait un meilleur rendement en puissance, notamment en maintenant humide la membrane entre les deux électrodes. De plus, une forte pression permet de récupérer, grâce aux condenseurs, un maximum d'eau en sortie de la pile à combustible, cette eau devant servir au reformeur. Le débit d'air fourni par le compresseur motorisé 6 dépend principalement de la vitesse de rotation de son moteur 11 , mais également des conditions de fonctionnement du système d'alimentation électrique par pile à combustible, en température et en pression. Or l'évolution de ce débit d'air doit avoir lieu de façon précise et rapide sur toute la plage de fonctionnement de la pile à combustible pour assurer un bon comportement du système d'alimentation électrique en réponse à la demande du conducteur. Le problème consiste à réguler le débit d'air en fonction des variations de comportement du groupe de compression, doté de débitmètres 12 en sortie du compresseur et en entrée de la pile à combustible, dont les temps de réponse sont trop longs ou la précision insuffisante pour une bonne adaptation aux véhicules automobiles. En effet, il faut que le courant fourni par la pile à combustible réponde à la demande du conducteur, or, si la réaction chimique dans la pile à combustible est instantanée, le reformeur et le groupe de compression de l'air pénalisent le temps de réponse. Le débit d'air devrait passer de 10 à 100 % en trois secondes. Dans le brevet JP 200 3217 624, au nom de NISSAN MOTOR CO, LTD, est décrite une estimation de la pression partielle d'oxygène dans la pile par mesure de courant et de tension. Le but est le contrôle du débit d'air malgré le comportement non prédictible du compresseur. C'est une estimation en boucle ouverte sans prise en compte de la notion de temps de réponse des débitmètres. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients en tenant compte de la fonction de transfert entre la vitesse du moteur du compresseur et le débit d'air, qui varie non linéairement selon la pression et la température de fonctionnement. Pour cela, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande du débit d'air délivré par un ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre devant alimenter en oxygène une pile à combustible, par asservissement du débit d'air à une consigne déterminée à partir d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur, imposée par le conducteur, caractérisé en ce qu'il est réalisé par une unité de contrôle électronique, qui asservit le débit d'air réel mesuré par le débitmètre à une consigne de débit pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur. Selon une autre caractéristique du dispositif de commande du débit, l'unité de contrôle comprend un observateur qui reconstruit les états de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre à partir de la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur et du débit d'air mesuré par le débitmètre. Un second objet de l'invention est un procédé mis en oeuvre par le dispositif de commande du débit d'air fourni par un compresseur motorisé associé à un débitmètre à une pile à combustible, pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il consiste à asservir le débit d'air réel mesurépar le débitmètre à une consigne de débit , qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur imposée par le conducteur, pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur, et en ce qu'il comprend l'estimation du débit réel délivrée par un observateur à partir du débit d'air mesuré par le débitmètre et de la consigne destinée au moteur du compresseur, ladite consigne étant issue de moyens de régulation, qui reçoivent en entrée d'une part une première consigne obtenue en fonction de la puissance demandée par le conducteur et d'autre part une seconde consigne établie en fonction de l'estimation des trois états du système que sont le débit d'air mesuré, le débit d'air réel et sa dérivée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation, illustrée par les figures suivantes, qui sont, outre la figure 1 déjà décrite qui représente un système d'alimentation électrique par pile à combustible : la figure 2 : un schéma fonctionnel d'un dispositif de commande du débit d'air pour une pile à combustible, la figure 3 : les variations des deux débits Qré[beta][iota] délivré par le compresseur motorisé et Qmesfourni par le débitmètre, obtenus au cours d'une simulation avec le modèle de validation et sur banc d'essai avec le système réel, la figure 4 : l'évolution des débits estimés et mesurés sur un changement de pression lors d'une simulation et lors d'un essai sur banc. Comme le montre le schéma de la figure 2, le dispositif de commande du débit d'air devant alimenter en oxygène la pile à combustible est réalisé par une unité de contrôle électronique 20 dans le but de contrôler un ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre. Il doit asservir le débit d'air réel mesuré par le débitmètre à une consigne débit, qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur imposée par le conducteur, en pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur. Une position de la pédale correspond à une puissance demandée au module de puissance du véhicule, qui elle-même correspond à un débit de consigne Qcons. Ce dispositif de commande comprend des moyens de régulation 21 , recevant en entrée d'une part la consigne de débit Qconset d'autre part l'estimation Q du débit réel, délivrée par un observateur 22 destiné à reconstruire les états de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre, avec certaines hypothèses à partir de la consigne de vitesse de rotation [omega]consdu moteur et du débit d'air mesuré par le débitmètre Qmes. L'observateur est construit à partir d'un modèle de validation de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre, tel que, d'une part, le compresseur et son moteur sont modélisés en deux parties : - une partie dynamique selon un modèle 23 du deuxième ordre défini par l'équation E1 suivante, entre la vitesse de rotation [omega]mesde l'arbre moteur du compresseur, mesurée par exemple par un capteur à effet Hall, et sa vitesse de consigne [omega]cons: avec s la variable de La place [omega]nla pulsation propre du système compresseur motorisé [sigma] l'amortissement du système - une partie statique selon une cartographie 24 donnant le débit Qrée[iota]en fonction de la vitesse de rotation et de la pression, et tel que, d'autre part, le débitmètre est modélisé selon un modèle 25 du premier ordre défini par l'équation E2 suivante, entre le débit mesuré Qmespar le débitmètre et le débit réellement fourmi par le compresseur Qree[iota]: avec [tau] la constante de temps du débitmètre. Pour simplifier le développement de la loi de commande, le modèle de conception du compresseur motorisé associé au débitmètre assimile la cartographie statique du compresseur à un gain K tel que le débit réel fourni par un compresseur est proportionnel à la vitesse de rotation mesurée [omega]mes, en négligeant l'influence de la pression : Cela permet de ramener l'ensemble à un système linéaire pour lequel on peut utiliser une structure de commande de type observateur-retour d'état. Le modèle de conception de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre est défini par les équations suivantes : le gain Kobsde l'observateur pouvant être déterminé par exemple par une méthode d'optimisation H2. La commande [omega]consenvoyée à l'ensemble de compression de l'air est égale à la somme d'une première consigne [omega][iota] , résultant du produit de la consigne de débit Qconspar un premier gain de consigne F1 , et d'une seconde consigne [omega]2résultant du produit de l'estimation des trois états du système que sont le débit d'air mesuré Qmesle débit d'air réel Qrèelet sa dérivée Qreeldélivrée par l'observateur par un deuxième gain de consigne F2 : les gains F1et F2pouvant être déterminés par exemple par optimisation H2. Un second objet de l'invention est un procédé mis en oeuvre par le dispositif de commande du débit d'air fourni à une pile à combustible grâce à un compresseur motorisé associé à un débitmètre, pour véhicule automobile. Il consiste à asservir le débit d'air réel mesuré Qmesà une consigne de débit Qcons, qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur imposée par le conducteur, en pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur. Il comprend l'estimation du débit réel Qrèeldélivrée par un observateur à partir du débit d'air mesuré par le débitmètre et de la consigne [omega]consdestinée au moteur du compresseur. L'établissement de la consigne de vitesse [omega]consest réalisée par des moyens de régulation, recevant en entrée une première consigne [omega]1obtenue en fonction de la puissance demandée par le conducteur et une seconde consigne [omega]2établie en le débit d'air réel à [upsilon] réel et sa dérivée [upsilon] n réel Le procédé selon l'invention présente les avantages suivants : assurer la robustesse du contrôle, car, bien que la conception soit faite avec un gain fixe, le comportement de la loi avec une cartographie reste correct. Ce bon comportement est toujours valable avec le système réel. permettre une bonne reconstruction des états du système. Les courbes représentées sur la figure 3 montrent les débits estimés Qmes-s[iota]muet Qréei-simuet les débits mesurés Qmes-essaiet Qréei-essaiobtenus au cours respectivement d'une simulation avec le modèle de validation de l'ensemble de compression, incluant la cartographie du compresseur et son gain K, et sur banc d'essai avec le système réel, pour les deux débits Qrée[iota]délivré par le compresseur motorisé et Qmesfourni par le débitmètre. La régulation de débit d'air se fait correctement et l'estimation du débit réel permet d'obtenir un débit plus rapidement que par le débitmètre. Les courbes de la figure 4 représentent l'évolution des débits estimés Qmes-simuet Qréei-simuet des débits mesurés Qmes-essa[iota]et Qréei-essaisur un changement de pression lors d'une simulation et lors d'un essai sur banc respectivement. On constate que le rejet de perturbation est correct car le débit mesuré Qmesreste proche de la consigne Qcons, et que l'estimation du débit réel Qe iest toujours plus rapide que le débit mesuré Qmesavec une même valeur statique. La connaissance du débit d'air injecté dans la pile est indispensable pour la supervision du module de puissance, qui réalise la coordination entre les alimentations d'air et d'hydrogène et le courant demandé à la pile à combustible, pour répondre à la demande du conducteur en termes de puissance du moteur de traction du véhicule. Etant donné que le temps de réponse des débitmètres est généralement trop long par rapport aux dynamiques souhaitées pour le module de puissance, la mesure du débit d'air fournie par un débitmètre est remplacée par l'estimation du débit Q réalisée par l'invention, pour informer la supervision du débit d'air disponible et réaliser au mieux la réaction chimique dans la pile. Cette information obtenue plus rapidement que le signal issu du débitmètre permet donc d'obtenir une meilleure dynamique pour le module de puissance. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande du débit d'air délivré par un ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre devant alimenter en oxygène une pile à combustible, par asservissement du débit d'air à une consigne déterminée à partir d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur, imposée par le conducteur, caractérisé en ce qu'il est réalisé par une unité de contrôle électronique, qui asservit le débit d'air réel (Qmes) mesuré par le débitmètre à une consigne de débit (Qcons) en pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur. 2. Dispositif de commande du débit d'air selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'unité de contrôle (20) comprend un observateur (22) qui reconstruit les états de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre à partir de la consigne de vitesse de rotation ([omega]cons) du moteur et du débit d'air mesuré par le débitmètre (Qmes). 3. Dispositif de commande du débit d'air selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'observateur (22) est construit à partir d'un modèle de validation de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre, tel que d'une part, le compresseur et son moteur sont modélisés en deux parties : - une partie dynamique selon un modèle (23) du deuxième ordre défini par l'équation suivante, entre la vitesse de rotation ([omega]mes) mesurée de l'arbre moteur du compresseur et sa vitesse de consigne ([omega]cons) : avec s la variable de La place [omega]r, la pulsation propre du système compresseur motorisé avec débitmètre [sigma] l'amortissement du système - une partie statique selon une cartographie (24) donnant le débit (Qréel) en fonction de la vitesse de rotation et de la pression, et tel que d'autre part, le débitmètre est modélisé selon un modèle (25) du premier ordre défini par l'équation suivante, entre le débit mesuré (Qmes) par le débitmètre et le débit réellement fourmi par le compresseur (Qreel) : avec r la constante de temps du débitmètre. 4. Dispositif de commande du débit d'air selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour simplifier le développement de la loi de commande, le modèle de conception du compresseur motorisé associé au débitmètre assimile la cartographie statique du compresseur à un gain (K) tel que le débit réel (Qréei) fourni par le compresseur est proportionnel à la vitesse de rotation mesurée ([omega]meS): 5. Dispositif de commande du débit d'air selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'observateur reconstruit l'ensemble des états du système compresseur motorisé associé au débitmètre avec certaines hypothèses, à partir de la consigne en vitesse de rotation ([omega]cons) du moteur et de la mesure du débit (Qmes) délivrée par le débitmètre et délivre une estimation du débit réel {Q ) selon les rèel équations suivantes : le gain (K0bs) de l'observateur pouvant être déterminé par exemple par une méthode d'optimisation H2. 6. Dispositif de commande du débit d'air selon la revendication 5, caractérisé en ce que la commande ([omega]cons) envoyée à l'ensemble de compression de l'air est égale à la somme d'une première consigne ([omega]1), résultant du produit de la consigne de débit (Qcons) par un premier gain de consigne (F1 ), et d'une seconde consigne ([omega]2) résultant du produit de l'estimation des trois états du système que sont le débit d'air mesuré ( Qmes) , le débit d'air réel ( QM) et sa dérivée ( Q ) , délivrée par l'observateur par un deuxième gain de consigne (F2) : les gains F-i et F2pouvant être déterminés par exemple par optimisation H2. 7. Procédé mis en oeuvre par le dispositif de commande du débit d'air fourni par un compresseur motorisé associé à un débitmètre à une pile à combustible, pour véhicule automobile, selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à asservir le débit d'air réel mesuré (Qmes) par le débitmètre, à une consigne de débit (QCOns), qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur, imposée par le conducteur, en pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur, et en ce qu'il comprend l'estimation du débit réel ( Q ) délivrée par un observateur à partir du débit d'air mesuré par le débitmètre et de la consigne ([omega]cons) destinée au moteur du compresseur, ladite consigne ([omega]cons) étant issue de moyens de régulation, qui reçoivent en entrée d'une part une première consigne ([omega]i) obtenue par cartographie en fonction de la puissance demandée par le conducteur et d'autre part une seconde consigne ([omega]2) établie en fonction de l'estimation des trois états du système que sont le débit d'air mesuré ( ) , le débit mes d'air réel ( QM) et sa dérivée (Qrèel).