Brevet FR2917240A1 — publié le 20081212

B 07/0930 FR ù AxC/DD Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s Dispositif et procédé de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible. Invention de : LE LAY Vincent ROMANI Nicolas 2 Dispositif et procédé de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible. La présente invention a pour objet un dispositif et un procédé de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile. Les systèmes de pile à combustible de ce type destinés à générer une puissance électrique pour alimenter un moteur de traction d'un véhicule automobile comportent généralement des moyens de compression pilotés pour l'air destiné à alimenter le compartiment cathodique de la pile à combustible ainsi qu'une vanne commandée de régulation de débit montée entre les moyens de compression et la pile à combustible. Cet ensemble permet de fournir un débit d'air contrôlé à la cathode de la pile à combustible et de mettre en pression l'empilement des différentes plaques qui constituent la pile à combustible de façon à améliorer le rendement de celle-ci et faciliter la récupération de l'eau en sortie de la pile à combustible. La pile à combustible peut être alimentée en hydrogène à partir d'un réservoir connecté au compartiment anodique. Il est également possible de prévoir un reformeur alimenté en carburant hydrocarboné afin de générer un gaz riche en hydrogène pour alimenter le compartiment anodique de la pile à combustible Le reformeur peut éventuellement être associé à un brûleur destiné à l'élévation de la température nécessaire aux réactions de reformage. Les moyens de compression peuvent comprendre un ou plusieurs compresseurs, au moins l'un d'entre eux étant entraîné par un moteur électrique. Il est également possible de prévoir une turbine récupérant l'énergie des gaz d'échappement du brûleur et des gaz provenant de la pile à 3 combustible. La turbine est montée sur le même arbre que le compresseur de façon à participer à l'entraînement de celui-ci. On s'intéressera ici essentiellement à l'alimentation en air du système de pile à combustible et à la commande du compresseur et de la vanne permettant d'assurer un contrôle convenable du débit d'air à l'admission dans le compartiment cathodique de la pile à combustible, dans le reformeur et dans le compartiment anodique de la pile à combustible. Pour commander ce système d'alimentation en air de la pile à combustible, on prévoit généralement différents capteurs de température, de pression et de débit. Parmi l'ensemble de ces capteurs, les capteurs de débit représentent un coût et un risque en matière de fiabilité nécessaire à l'équipement des véhicules automobiles. La demande de brevet japonais JP 2005/327 572 décrit un dispositif de pilotage de l'amenée d'air dans une pile à combustible n'utilisant pas de débitmètre pour mesurer le débit d'air à l'entrée de la pile à combustible. I1 est prévu de rajouter un espace dans lequel la pression est contrôlée. Une chute de pression correspond alors à un débit sortant de cet espace et on utilise cette information pour effectuer la commande d'alimentation. La demande de brevet japonais JP 2003/217 624 (Nissan) prévoit une mesure de courant électrique à la sortie de la pile à combustible et une régulation du débit d'air admis dans la pile à combustible avec une estimation portant sur la déviation par rapport à une valeur standard du débit d'air. Ce dispositif ne prévoit cependant pas de supprimer le débitmètre classique pour des raisons de sûreté de fonctionnement. La présente invention a pour objet de simplifier la commande d'alimentation en air d'un système de pile à combustible en 4 supprimant les inconvénients liés à l'utilisation d'un débitmètre placé à l'entrée du compartiment cathodique de la pile à combustible. Dans un mode de réalisation, un dispositif de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, comprend des moyens pilotés de compression d'air et une vanne commandée de régulation de débit d'air montée entre les moyens de compression et la pile à combustible. Une unité de contrôle électronique reçoit des signaux correspondant à des températures, des pressions et au débit d'air admis dans la pile à combustible et est capable d'émettre des signaux de commande pour les moyens de compression et pour la vanne commandée. Des moyens de calcul de débit d'air sont prévus pour déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible. I1 est alors possible de se passer du capteur de débit d'air habituellement prévu à l'entrée du compartiment cathodique de la pile à combustible, lequel capteur est de structure onéreuse et de fiabilité souvent aléatoire. I1 suffit de disposer de capteurs simples pour des mesures de pression. On peut notamment utiliser un capteur de pression à l'entrée de la vanne, un capteur de pression à la sortie de la vanne et des moyens de détermination de la section de passage de la vanne. Les moyens de calcul de débit d'air peuvent comprendre un estimateur statique capable de déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible à partir de la pression à l'entrée de la vanne, de la pression à la sortie de la vanne et de la section de passage de la vanne. En variante, on peut prévoir en outre un capteur de la température de l'air à l'entrée de la vanne, l'estimateur statique étant capable de déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible à partir de la pression à l'entrée de la vanne, de la pression à la sortie de la vanne, de la section de passage de la vanne et de la température de l'air à l'entrée de la vanne. Un tel ensemble présente l'avantage d'un faible coût et d'une grande simplicité. Les capteurs utilisés sont de type classique, 5 robustes et peu onéreux. Le système peut être facilement embarqué dans un calculateur de véhicule automobile. Si l'on souhaite améliorer la fiabilité de l'estimation dans les phases de fonctionnement transitoires et augmenter la précision, il peut être avantageux que les moyens de calcul de débit d'air comprennent un estimateur dynamique capable de déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible à partir de la pression à l'entrée de la vanne, de la pression à la sortie de la vanne et de la section de passage de la vanne, en tenant compte d'une valeur estimée de la pression à l'entrée de la vanne telle que fournie par un modèle dynamique. Lorsque le système de pile à combustible comprend un reformeur de carburant, le modèle dynamique tient compte, de préférence, des pertes de charge dans le compresseur, dans le compartiment anodique de la pile à combustible et dans le reformeur. L'utilisation d'un tel modèle permet de concevoir un système peu onéreux et très simple à embarquer dans un calculateur de véhicule automobile. Dans un autre mode réalisation, le système de pile à combustible comprend plusieurs organes incluant notamment un compresseur piloté, un compartiment anodique, un compartiment cathodique, plusieurs vannes commandées. Les moyens de calcul de débit d'air sont capables de construire un modèle non-linéaire de l'ensemble des organes du système, en fonction des valeurs de pression mesurées à la sortie des compartiments anodique et 6 cathodique, de la différence de pression mesurée à l'entrée et à la sortie de la vanne commandée et du débit d'air mesuré à l'entrée des moyens de compression. Un régulateur défini par linéarisation du modèle non-linéaire précité est capable d'émettre des signaux de commande pour piloter les moyens de compression et commander la vanne commandée. Un tel ensemble est également facile à embarquer dans un calculateur de véhicule automobile et permet d'obtenir une régulation robuste autour du point de fonctionnement du système de pile à combustible. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, comprenant des moyens pilotés de compression d'air et une vanne commandée de régulation de débit d'air, montée entre les moyens de compression et la pile à combustible, dans lequel la valeur du débit d'air admis dans la pile à combustible, nécessaire à la commande, est estimée par calcul. L'estimation par calcul utilise de préférence les valeurs mesurées de la pression à l'entrée et à la sortie de la vanne commandée et, éventuellement, la température mesurée à l'entrée de la vanne commandée et le débit d'air mesuré à l'entrée des moyens de compression. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 représente schématiquement l'architecture générale de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible selon un exemple de réalisation ; 7 - la figure 2 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de commande comportant un estimateur statique; - la figure 3 illustre schématiquement une variante du premier mode de réalisation comportant un estimateur dynamique ; et - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation montrant un régulateur multivariable linéaire. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le système de pile à combustible comprend une pile à combustible formée par un compartiment anodique ou anode 1 et un compartiment cathodique ou cathode 2, un compresseur 3 entraîné par un moteur électrique 4 et un reformeur 5 recevant du carburant en provenance d'un réservoir non illustré sur la figure. Une vanne commandée 6 permet une régulation du débit d'air alimentant le compartiment cathodique 2. La vanne 6 est montée entre le compresseur 3 et la pile à combustible constituée par le compartiment anodique 1 et le compartiment cathodique 2. L'air frais admis dans le compresseur par la conduite d'admission 7 traverse tout d'abord un filtre à air 8. A la sortie du compresseur 3, la conduite d'air comprimé 9 débouche dans un plénum de branchement 10 sur lequel sont branchées une conduite 11 amenant l'air comprimé à l'entrée de la cathode 2 et une conduite 12 amenant l'air comprimé à l'entrée du reformeur 5. La vanne commandée 6 est montée sur la conduite 11 entre la cathode 2 et un échangeur de chaleur 13 placé à la sortie du plénum 10 et destiné à refroidir en partie l'air comprimé avant son entrée dans la cathode 2. Le reformeur 5 est en outre alimenté en carburant, tel que de l'essence ou du méthanol, par la conduite 14. A la sortie du reformeur 5, le gaz riche en hydrogène traverse tout d'abord un condenseur 15 qui permet la récupération d'une partie de l'eau contenue dans le gaz issu du reformeur. Le gaz riche en hydrogène est ensuite amené par la conduite 16 à l'entrée du compartiment anodique 1. Les gaz s'échappant à la sortie de l'anode 1 par la conduite 17 traversent un condenseur 18 avant d'être amenés par la conduite 19 sur une turbine 20. Une vanne de contrôle de pression commandée 21 est placée en aval du condenseur 18 sur la conduite 17 en sortie de l'anode 1. Les gaz s'échappant du compartiment cathodique 2 par une conduite 22 traversent tout d'abord un condenseur 23 avant d'être amenés par la conduite 19 sur la turbine 20. Une vanne de contrôle de pression commandée 24 est également placée en aval du condenseur 23 sur la conduite 22. La turbine 20 est reliée mécaniquement par l'arbre 25 au compresseur 3, de sorte qu'une partie de l'énergie des gaz d'échappement provenant de la pile à combustible et traversant la turbine 20 est récupérée pour l'entraînement du compresseur 3. On notera que l'étage unique de compression constitué par le compresseur 3 illustré sur la figure 1 pourrait être remplacé par un moyen de compression à deux étages, comportant donc deux compresseurs en série. Dans tous les cas néanmoins, l'un de ces compresseurs serait piloté par le moteur d'entraînement 4. La figure 1 ne comporte pas l'ensemble des éléments du système de pile à combustible. Pour simplifier la figure, on n'a en particulier pas indiqué les canalisations qui permettent la circulation de l'eau liquide récupérée par les différents condenseurs 15, 18 et 23 qui transite par un réservoir non illustré sur la figure et peut être amenée par l'intermédiaire d'une pompe de circulation à l'entrée du reformeur 5. On n'a pas non plus représenté les différents conduits véhiculant la vapeur d'eau. On a en revanche représenté sur la figure 1 une unité de contrôle électronique UCE qui reçoit les signaux des différents capteurs et émet des signaux de commande. A cet égard, l'unité de contrôle électronique 26 est reliée à un capteur de débit total 27 qui mesure le débit d'air à l'entrée du compresseur 3, soit Qcomp, le signal correspondant étant amené à l'unité de contrôle électronique 26 par la connexion 28. Un capteur de pression 29 branché dans la conduite 9 à la sortie du compresseur 3 mesure la pression de sortie du compresseur Pcomp amenée à l'unité de contrôle électronique 26 par la connexion 30. Un capteur de température 31 monté dans la conduite 9 mesure la température de l'air en sortie du compresseur 3, soit Tco,,,p. Il est relié par la connexion 32 à l'unité de contrôle électronique 26. Un capteur 33 est monté entre l'entrée et la sortie de la vanne 6 qui contrôle le débit d'air admis dans le compartiment cathodique 2. Le capteur 33 mesure la différence de pression Al), entre l'entrée et la sortie de la vanne 6. Le signal de mesure est amené par la connexion 34 à l'unité de contrôle électronique 26. Un capteur 35 monté dans la conduite 17 à la sortie du compartiment anodique 1 mesure la pression Pan à la sortie de l'anode 1. Il est relié par la connexion 36 à l'unité de contrôle électronique 26. Un capteur 37 est monté dans la conduite 22 afin de mesurer la pression des gaz à la sortie du compartiment cathodique 2, soit Pcat• Il est relié par la connexion 38 à l'unité de contrôle électronique 26. L'unité de contrôle électronique 26 reçoit par la connexion 39 un signal de mesure de la vitesse de rotation du moteur 4 entraînant le compresseur 3. L'unité de contrôle électronique 26 pilote le compresseur 3 en agissant sur la commande du moteur électrique 4 par une connexion 40. La vanne 6 est commandée par l'unité de contrôle électronique à laquelle elle est reliée par une connexion de commande 41. Enfin, les 10 deux vannes de contrôle de pression 21 et 24 montées respectivement en sortie de l'anode 1 et en sortie de la cathode 2 sont commandées par l'unité de contrôle électronique par l'intermédiaire des connexions de contrôle 42 et 43. L'unité de contrôle électronique 26 comprend des moyens non illustrés sur la figure et permettant de connaître la section de passage de la vanne 6 en fonction du signal de commande émis par la connexion 41. L'unité de contrôle électronique qui peut être le calculateur embarqué dans le véhicule automobile et être utilisée pour d'autres fonctions, comporte des moyens de calcul du débit d'air admis dans le compartiment cathodique 2 de la pile à combustible, cette valeur estimée étant ensuite utilisée par l'unité de contrôle électronique pour commander le compresseur 3 par l'intermédiaire de son moteur 4 et la position de la vanne 6. On va maintenant décrire plus en détail quelques modes de réalisation des moyens de calcul qui peuvent être prévus dans l'unité de contrôle électronique 26 afin d'estimer le débit d'air admis dans le compartiment cathodique 2. Selon un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2, les moyens de calcul comprennent un estimateur statique permettant d'estimer le débit d'air traversant la vanne 6 en se basant uniquement sur une mesure de la pression différentielle OPä fournie par le capteur 33. On obtient le débit d'air estimé Qest en appliquant l'équation : Qest = a(S). JP ùP ou ce qui revient au même Qest ù a(u) ~v(équation 1) (équation la)30 dans lesquelles : Qest est le débit d'air admis dans la cathode 2 en kg/s Pe est la pression à l'entrée de la vanne 6 en Pa Ps est la pression à la sortie de la vanne 6 en Pa OPä est la pression différentielle entre l'entrée et la sortie de la vanne 6 en Pa et a(S) est un coefficient qui dépend de la section d'ouverture S de la vanne 6. La figure 2 montre schématiquement la réalisation du moyen de calcul. La mesure de la pression différentielle, OPä est amenée sur l'entrée 44. La racine carrée est calculée dans le bloc 45. La détermination du degré d'ouverture de la vanne 6 est amenée à l'entrée 46, ce qui permet, dans le bloc 47, la détermination du coefficient a. La sortie du multiplicateur 48 fournit la valeur recherchée du débit d'air estimé Qest. On notera que le coefficient a est lié à la section de passage S du flux d'air dans la vanne 6. I1 dépend de la position du clapet de cette vanne et donc du signal de commande. I1 peut être aisément identifié sur un banc d'essais équipé d'un débitmètre au moyen de quelques essais préalables de routine. On en déduit des courbes d'échantillonnage fournissant le coefficient a en fonction du signal de commande. Dans le cas où la température Te à l'entrée de la vanne 6 subit des modifications importantes, il est possible de remplacer l'équation 1 par la formule de Barré St-Venant qui permet de calculer le débit d'air traversant la vanne 6 en fonction non seulement des mesures de pression mentionnées ci-dessus, mais en outre de la température à l'entrée de la vanne 6, température qui est mesurée par un capteur, non représenté sur la figure, cette mesure pouvant être également utilisée pour le pilotage du circuit de refroidissement, non représenté sur la figure. La formule utilisée est alors : Qest u (équation 2) ( i 1 P avec Te est la température à l'entrée de la vanne 6 en K. y est le coefficient isentropique, c'est-à-dire le rapport des chaleurs spécifiques à pression constante et à volume constant (qui est égal à 1,405 pour l'air à pression atmosphérique). r est la constante des gaz parfaits en J/kg/ K. A partir de la valeur de débit d'air admis ainsi estimé Qest, il est possible d'utiliser dans l'unité de contrôle électronique 26 une loi de commande de type classique pour fournir un signal de commande à la vanne 6 et au compresseur 3 et commander ainsi l'ensemble du système d'alimentation en air de la pile à combustible. Le fait que l'on utilise uniquement des capteurs de pression et de température de type classique, permet d'obtenir un ensemble particulièrement peu onéreux. Les calculs effectués sont également simples et faciles à intégrer dans l'unité de contrôle électronique embarquée dans le véhicule. Le dispositif ainsi décrit présente cependant une certaine sensibilité aux variations de température, au vieillissement de la vanne 6. De plus, la précision obtenue peut être insuffisante lors des fonctionnements transitoires de la pile à combustible. Une variante de ce mode de réalisation permet d'améliorer la précision et la robustesse de l'estimation et est illustré sur la figure 3. Dans ce mode de réalisation, les moyens de calcul du débit d'air estimé comprennent un estimateur dynamique. A cet effet, on introduit dans l'équation 1 un signal d'erreur qui est estimé à partir de la pression de sortie du compresseur, soit P est. On utilise alors l'équation suivante : Qest ù aVPe ù Ps -d (équation 3) avec d =P ùP est La pression Pest est estimée à l'aide d'un modèle dynamique intégrant une constante d'observation k selon l'équation : _r Pe _ est v Tcamp (Qcomp ù Qcat ù Qan) + ko (Pe ù Pe est ) (équation 4) dans laquelle : Tcomp est la température de sortie du compresseur (en K) Qcomp est le débit d'entrée du compresseur (en kg/s) Qcat est le débit d'entrée de la cathode (en kg/s) Qan est le débit d'entrée de l'anode (en kg/s) On notera qu'il est possible de considérer que la pression à l'entrée de la vanne 6, soit Pe est égale à la pression de sortie du compresseur Pcomp• On utilise donc pour l'estimation de Pe, uniquement les mesures de débit de pression et de température indispensables au fonctionnement et à la sécurité du compresseur 3. On obtient le débit à l'entrée de la cathode, soit Qcat à partir de l'équation 1 ou de l'équation la indiquées précédemment. On estime le débit à l'entrée de l'anode, soit Qan par les 20 équations de pertes de charge suivantes : Qan = KYe Pc ù ,.e = K011. re (équations 5) n dans lesquelles : 25 Pro est la pression à la sortie du reformeur (en Pa) Pan est la pression à la sortie de l'anode (en Pa) Les indices re et an renvoient respectivement au reformeur 5 et au compartiment anodique 1. Ainsi, le coefficient KTe représente une modélisation de la perte de charge lors de la traversée du reformeur 5 30 par l'air comprimé et Kan représente une modélisation de la perte de charge lors de la traversée du compartiment anodique 1. Les différentes équations 5 peuvent être combinées entre elles, de façon à déterminer une variable unique K qui s'écrit : (équation 6) Ainsi, à partir des équations 1, 5 et 6 et des mesures du débit Qcomp à la sortie du compresseur, de la pression Pcomp à la sortie du compresseur et de la température TC01rip à la sortie du compresseur, et de la pression Pan à la sortie de l'anode 1, on peut procéder à une estimation de la pression Pe à l'entrée de la vanne 6 au moyen d'un estimateur statique. L'écart d entre cette pression Pe et la valeur estimée Pe_est permet de corriger cette estimateur statique de façon à parvenir à une estimation dynamique. La constante d'observation k0 est fixée de manière empirique à partir des règles suivantes : plus la valeur de k0 est grande, plus la pression estimée Pe_ est converge vers la pression Pe à l'entrée de la vanne 6. Toutefois, la valeur de k0 ne doit pas être trop grande, car dans ce cas l'erreur d convergerait vers 0 et l'estimateur dynamique ne donnerait pas un résultat différent de l'estimateur statique. plus la valeur de k0 est petite, plus la pression estimée Pe-est est prise en compte. Toutefois, si k0 est trop proche de 0, d'autres erreurs, notamment celles portant sur la variable K, deviennent trop prépondérantes. La figure 3 illustre schématiquement une réalisation d'un tel estimateur dynamique. On retrouve sur la figure 3 une partie des éléments figurant déjà sur la figure 2. Les références de ces éléments ont été reprises sans modification. L'élément de calcul 49 reçoit sur ses différentes entrées : le débit d'air traversant la cathode Qcat issu du bloc de calcul 48 ; le débit d'air Qcotnp pénétrant dans le compresseur par l'entrée 50 ; la pression Pcomp à la sortie du compresseur par l'entrée 51 ; la température Tcomp à la sortie du compresseur par l'entrée 52 ; la pression Pan à la sortie de l'anode 1 par l'entrée 53. Le bloc 54 réalise le premier membre de l'équation 4 auquel est ajouté K= K,-,Kan .,Ke2+K 2 an dans le bloc 54a, le deuxième membre de l'équation 4. Le bloc 55 intègre l'ensemble pour donner la valeur estimée Pe_est selon l'équation 4. Cette valeur est ramenée sur l'entrée négative du bloc 56 qui reçoit par ailleurs sur son entrée positive la valeur de la pression Pe à l'entrée de la vanne 6 qui est considérée comme égale à la pression Peomp à la sortie du compresseur 3. La constante d'observation ko sert de multiplicateur dans le bloc de gain 57. Le bloc de calcul 58 détermine la valeur de l'erreur d qui est amenée à l'entrée négative du bloc 59, lequel reçoit sur son entrée positive la pression différentielle mesurée OP,,. Après extraction de racine carrée dans le bloc 60 et multiplication par le coefficient a dans le bloc 61, on obtient sur la sortie 61a la valeur estimée Qest du débit d'air alimentant le compartiment cathodique 2. Comme précédemment, cette valeur estimée peut ensuite être utilisée avec tout type de loi de commande approprié pour piloter la vanne 6 et le moteur électrique 4 d'entraînement du compresseur 3. Un autre mode de réalisation illustré sur la figure 4 permet d'améliorer encore la robustesse de l'observateur en utilisant un modèle plus complexe du système d'alimentation en air. Le modèle fait ensuite l'objet d'une linéarisation permettant d'utiliser les techniques classiques d'automatique linéaire pour les systèmes multivariables. Ce mode de réalisation peut être appliqué à tout type de régulateur basé sur une structure observateur-retour d'état. On construit tout d'abord un modèle non linéaire du système d'alimentation en air illustré sur la figure 1. On s'appuie à cet égard sur les équations pneumatiques d'un volume déterminé : dm_ dt ù Qin. ù Qin,. (équation 7 dl ut _ Qm nTin _ y 1 outQmo (équation 8) dans lesquelles : m est la masse de gaz dans le volume considéré (en kg) Qm,,, est le débit massique entrant dans le volume (en kg/s) Qm ut est le débit massique sortant du volume (en kg/s) Pont est la pression de sortie du volume (en Pa) V est la capacité du volume considéré en m3 Tin est la température à l'entrée dans le volume (en K) Les autres grandeurs ont les significations indiquées précédemment. On peut ensuite exprimer les débits d'air à l'entrée et à la sortie pour chaque volume en utilisant pour chacun des volumes considérés présents dans le système d'alimentation illustré sur la figure 1, les équations appropriées. Ainsi, pour une vanne, on déterminera le débit qui la traverse au moyen d'une équation similaire à l'équation 1 : Q = OvKv Pe ù P (équation 9) dans laquelle : Oä est l'ouverture de la vanne, et K, est une caractéristique de la géométrie de la vanne. Pour un élément entraînant une simple perte de charge, le débit est déterminé par l'équation : Q=Kdp P ùP (équation 10) dans laquelle Kdp est le coefficient de perte de charge. Pour un compresseur, le débit est déterminé par l'équation : Q = Ktweomp + K27 (équation 11) dans laquelle KI et K2 sont identifiés dans une cartographie du compresseur en question c0c mp est la vitesse de rotation du compresseur en tr/min est le rapport de compression, c'est-à-dire le rapport entre la pression de sortie et la pression d'entrée du compresseur. Le système d'alimentation en air illustré sur la figure 1 peut alors être modélisé sous la forme d'un ensemble de différents volumes et en particulier, le volume du plenum de branchement 10, le volume du compartiment anodique 1, le volume de l'échangeur de chaleur 13 et le volume du compartiment cathodique 2, soit au total quatre volumes pour lesquels le débit peut être estimé en fonction de la perte de charge au moyen de l'équation 10. Le système comprend par ailleurs trois vannes, référencées 6, 21 et 24 sur la figure 1, pour lesquelles l'équation 9 peut être utilisée. Enfin, pour le compresseur 3, on utilisera l'équation 11. Le modèle complet comprend alors douze états, c'est-à-dire deux états par volume et un pour chacun des actionneurs constitués par les vannes et le compresseur. Un tel modèle peut ensuite être linéarisé autour d'un point de fonctionnement du système d'alimentation, le modèle étant basé sur les variables suivantes : - des états notés X, constitués par la masse de gaz et la pression dans les quatre volumes, la vitesse du compresseur et le degré d'ouverture des trois vannes ; - des entrées notées U, constituées par la commande du compresseur et la commande des trois vannes ; - des sorties mesurées notées Y, comprenant le débit total Qcomp, la différence de pression Ope, aux bornes de la vanne 6 et les pressions de sortie de l'anode Pan et de la cathode Pcat , - et des sorties à contrôler constituées par le débit d'air total Qcomp, le débit d'air alimentant la cathode Qcat et lespressions à la sortie de l'anode Pan et à la sortie de la cathode Pcat. Le modèle ainsi obtenu peut s'écrire sous la forme : X=AX+BU (équations 12) Y=CX dans lesquelles A, B et C sont les matrices d'état du système. L'utilisation des techniques classiques d'automatique linéaire permet de faire la synthèse du régulateur sur le modèle linéaire. On peut ainsi utiliser un contrôle d'état standard pour calculer les gains de l'observateur (Ko) et du retour d'état (Ke) ou d'autres techniques de synthèse linéaires quadratiques. La structure du régulateur ainsi obtenue est illustrée sur la figure 4. Les équations sont les suivantes XQ=AQXQ+BQU+K0(Y sùY) Y^ =CaXQ U = K: XQ + Ke zY ns Les deux équations 13 et 14 sont celles de l'observateur. L'indice a indique que les matrices représentant le système (X, A, B et C) ont été augmentées de quatre états intégrateurs pour assurer la convergence des états estimés vers les valeurs de consigne. Ces intégrateurs peuvent être explicites sur l'écart entre les valeurs de consigne Yeons et les valeurs mesurées Ymes. Ils peuvent également être implicites lorsqu'on utilise un contrôle d'état standard. Dans ce cas, on ajoute quatre états di, d2, d3 et d4 en sortie ou en entrée du système. (équation 13) (équation 14) (équation 15) L'observateur s'écrit alors : /A 0 /B o 0 + o JU + Ko (Ymes ù Y) (équation 16) X" d (équation 17) dans lesquelles on a : 'dlv d2 d d3 d4) et I est la matrice unité de dimension 4. 10 L'équation 15 donnant U est l'équation du retour d'état qui permet de déterminer les grandeurs de commande en fonction de l'état estimé et des valeurs de consigne de référence Ycons. On notera qu'avec un vecteur de dimension 12 comme dans l'exemple indiqué ci-dessus, Ko est une matrice 16x4, tandis que la matrice de retour d'état 15 Kcl est une matrice 4x16 et la matrice de retour d'état Kc2 est une matrice 4x4. En se reportant à la figure 4, on note que le bloc de calcul 62 reçoit sur ses différentes entrées les valeurs de consigne du débit total Qcomp sur l'entrée 63, du débit cathodique Qcat sur l'entrée 64, de la 20 pression à la sortie de l'anode Pan sur l'entrée 65 et de la pression à l'entrée de la cathode Pcat sur l'entrée 66. Ces valeurs de consignes sont filtrées par les différents blocs 67. I1 en résulte, à la sortie du bloc de calcul 62, les gains de retour d'état Kcz utilisés dans le bloc 68. 25 La modélisation du système complet référencée 69 tient compte des valeurs mesurées Pan, Pcat, Al', et Qcomp qui sont amenées sur le bloc de calcul 70 par les entrées 71. Les équations 13 et 14 sont utilisées par le bloc 72 pour établir le gain de retour d'état Kcl utilisé Y=(C I)5 dans le bloc 72a. Les matrices des états estimés XQ et des valeurs de consigne Ycons affectées des gains respectifs Kcl et Kc2 sont additionnées dans l'additionneur 74 qui fournit la matrice des entrées U amenée au bloc de calcul 75. Celui-ci fournit les signaux d'entrée aux blocs de saturation 73 qui émettent les signaux de commande pour le compresseur, la vanne 6 et les deux vannes de contrôle de pression 21 et 24 qui sont amenées sur le modèle du système 69 par les connexions 73a et à l'entrée du bloc de calcul 70 par les connexions 74. Un tel régulateur multivariables linéaire permet d'obtenir une commande robuste autour du point de fonctionnement du système d'alimentation d'air. REVENDICATIONS 1-Dispositif de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible (1, 2), notamment pour véhicule automobile, comprenant des moyens pilotés de compression d'air (3, 4) et une vanne commandée de régulation de débit d'air (6) montée entre les moyens de compression et la pile à combustible, une unité de contrôle électronique (26) recevant des signaux correspondant à des températures, des pressions et au débit d'air admis dans la pile à combustible et étant capable d'émettre des signaux de commande pour les moyens de compression et pour la vanne commandée, caractérisé par le fait que des moyens de calcul de débit d'air sont prévus pour déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible. 2-Dispositif selon la revendication 1 comprenant un capteur (33) de pression à l'entrée de la vanne, un capteur (33) de pression à la sortie de la vanne et des moyens de détermination de la section de passage de la vanne, les moyens de calcul de débit d'air comprennent un estimateur statique capable de déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible à partir de la pression à l'entrée de la vanne, de la pression à la sortie de la vanne et de la section de passage de la vanne. 3-Dispositif selon la revendication 2 comprenant en outre un capteur (31) de la température de l'air à l'entrée de la vanne, l'estimateur statique étant capable de déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible à partir de la pression à l'entrée de la vanne, de la pression à la sortie de la vanne, de la section de passage de la vanne et de la température de l'air à l'entrée de la vanne. 22 4-Dispositif selon la revendication 1 comprenant un capteur de la pression à l'entrée de la vanne, un capteur de la pression à la sortie de la vanne et des moyens de détermination de la section de passage de la vanne, les moyens de calcul de débit d'air comprennent un estimateur dynamique capable de déterminer le débit d'air admis dans la pile à combustible à partir de la pression à l'entrée de la vanne, de la pression à la sortie de la vanne et de la section de passage de la vanne, en tenant compte d'une valeur estimée de la pression à l'entrée de la vanne telle que fournie par un modèle dynamique. 5-Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le système de pile à combustible comprend un reformeur de carburant (5), le modèle dynamique tenant compte des pertes de charge dans le compresseur, dans le compartiment anodique de la pile à combustible et dans le reformeur. 6-Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système de pile à combustible comprend plusieurs organes incluant notamment un compresseur piloté (3, 4), un compartiment anodique (1), un compartiment cathodique (2), plusieurs vannes commandées (6, 21, 24) et les moyens de calcul de débit d'air sont capables de construire un modèle non-linéaire de l'ensemble des organes du système, en fonction des valeurs de pression mesurées à la sortie des compartiments anodique et cathodique, de la différence de pression mesurée à l'entrée et à la sortie de la vanne commandée et du débit d'air mesuré à l'entrée des moyens de compression. 7-Dispositif selon la revendication 6 comprenant un régulateur défini par linéarisation du modèle non-linéaire précité et capable d'émettre des signaux de commande pour piloter les moyens de compression et commander la vanne commandée. 8-Procédé de commande de l'alimentation en air d'un système de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, 23 comprenant des moyens pilotés de compression d'air (3, 4) et une vanne commandée de régulation de débit d'air (6) montée entre les moyens de compression et la pile à combustible, caractérisé par le fait que la valeur du débit d'air admis dans la pile à combustible, nécessaire à la commande, est estimée par calcul.