Brevet FR2944152A1 — publié le 20101008

Dispositif pour contrôler la baisse de la tension résiduelle aux bornes d'une pile à combustible après son arrêt La présente invention concerne un dispositif pour contrôler la baisse de la tension résiduelle aux bornes d'une pile à combustible après son arrêt. Elle s'applique par exemple dans le domaine de l'automobile. Lorsque qu'un véhicule automobile équipé d'une pile à combustible cesse d'être utilisée, c'est-à-dire lorsque le conducteur retire la clé de contact ou ce qui la matérialise, le superviseur du système pile à ~o combustible ainsi que le superviseur véhicule sont désactivés. Chaque cellule de la pile présente alors une tension résiduelle, qui peut être de l'ordre de 1,23 volt (V) dans le cadre d'une application automobile par exemple. Pour une pile de 120 cellules, cela constitue un générateur de tension de 148V pouvant débiter potentiellement un courant. La pile se 15 décharge lentement au travers de l'ensemble des résistances qui relient les pôles ou les cellules entre elles, ceci en un temps indéterminé. La demande de brevet français numéro FR 2 873 498 divulgue une procédure d'arrêt d'une pile à combustible alimentée en oxygène pur et 20 en hydrogène. La procédure consiste à interrompre l'alimentation en oxygène, à prélever à la pile un courant électrique, à mettre à l'atmosphère le circuit d'alimentation en oxygène et enfin à interrompre l'alimentation en hydrogène. Elle consiste donc essentiellement à purger de manière contrôlée les circuits d'alimentation en oxygène et en hydrogène des réactifs résiduels, 25 ceci afin d'accélérer l'arrêt de la réaction électrochimique, tout en consommant le courant résiduel fourni par la pile, qui est utilisé pour recharger un dispositif de stockage de l'énergie. Cette procédure permettrait de passer d'une tension résiduelle de 250 V à une tension de 30 V en 110 seconds environs. 30 Malheureusement, cette procédure ne permet pas de contrôler la baisse de la tension résiduelle aux bornes de la pile. En particulier, elle ne permet pas à un opérateur de maintenance (dépannage, entretien, diagnostics, contrôle) de vérifier que la tension a effectivement baissé et ainsi d'être sûr qu'il peut intervenir sans risque. En effet, la quantité d'énergie encore présente dans une pile est d'autant plus importante que la tension à l'arrêt de la pile est élevée. Dans le cadre d'une application automobile notamment, on peut estimer qu'il y a danger, car on observe expérimentalement que quelques ampères pendant quelques secondes peuvent être tirés de la pile, en particulier au travers d'une résistance faible comme le corps humain s'il y avait contact. Le risque électrique est donc important pour un opérateur. En revanche, au-dessous d'une certaine tension, l'énergie résiduelle emmagasinée dans la pile est suffisamment faible pour éviter tout danger électrique. Une intervention manuelle sur la pile à combustible est alors possible sans précautions particulières. L'invention a notamment pour but d'accélérer la baisse de la tension résiduelle aux bornes d'une pile à combustible et de contrôler cette baisse, de sorte qu'un opérateur puisse disposer d'une information fiable sur l'état courant de décharge de la pile lui permettant de décider du moment d'intervention avec un degré de sécurité optimum. Pour cela, l'invention propose de prélever un courant à la pile et d'utiliser ce courant pour alimenter un dispositif de contrôle de la tension résiduelle aux bornes de ladite pile. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour contrôler la baisse de la tension résiduelle aux bornes d'une pile à combustible après son arrêt. Le dispositif comporte des moyens pour prélever un courant à la pile, de manière à la décharger, ainsi que des moyens pour consommer le courant prélevé. Les moyens pour consommer le courant prélevé incluent des moyens pour signaler lorsque la tension résiduelle est en dessous d'un seuil donné. Dans un mode de réalisation préférentiel, le dispositif peut être 30 alimenté uniquement par le courant prélevé à la pile, de sorte que le dispositif est autonome. Avantageusement, les moyens pour prélever le courant à la pile peuvent comporter un régulateur de tension arrangé de telle sorte qu'il se comporte en générateur de courant tant que la tension résiduelle est au 35 dessus du seuil. Avantageusement là encore, les moyens pour signaler lorsque la tension résiduelle est en dessous d'un seuil donné peuvent comporter une diode électroluminescente, la diode restant allumée tant que la tension résiduelle est au dessus du seuil et s'éteignant lorsque la tension résiduelle passe en-dessous du seuil. Le dispositif peut comporter des moyens pour limiter la tension aux bornes des moyens pour prélever le courant à la pile. Par exemple, ces moyens peuvent comporter des diodes Zéner arrangées en série. Dans un mode de réalisation préférentiel, une pluralité de moyens de génération de courant peuvent être arrangés en série entre les bornes de la pile, de manière à supporter la tension résiduelle maximale délivrée par la pile à l'instant de son arrêt. Avantageusement, les moyens pour consommer le courant prélevé peuvent inclure une résistance de charge. Avantageusement là encore, le dispositif peut comporter des moyens pour réguler la tension aux bornes des moyens pour consommer le courant prélevé. L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle fournit un dispositif autonome, qui continue à fonctionner même si la batterie est déconnectée et démontée de son application d'accueil. Par la même occasion, l'invention garantit une excellente isolation galvanique entre la pile et les divers calculateurs de la voiture. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, par un synoptique, les principes de fonctionnement d'un exemple de dispositif selon l'invention; la figure 2, par un graphe, un exemple d'évolution de la tension résiduelle aux bornes d'une pile à combustible pendant qu'elle se décharge; la figure 3, par un synoptique, un exemple de dispositif selon l'invention dans le contexte d'une application automobile; la figure 4, par un synoptique, un autre exemple de dispositif selon l'invention dans le même contexte d'application automobile; la figure 5, par un synoptique, un autre exemple de dispositif selon l'invention dans le même contexte d'application automobile; les figure 6a et 6b, par deux synoptiques, deux autres exemples de dispositif selon l'invention dans le même contexte d'application automobile. La figure 1 illustre les principes de fonctionnement d'un exemple dispositif selon l'invention, qui permet de contrôler la tension résiduelle entre des cellules C1 à 0120 d'une pile à combustible. Un module 7 de contrôle accède par une limande 4bis aux cellules extrêmes C1 et C120, accédant ainsi à la totalité de la tension à contrôler. Un élément 8 de visualisation de l'état de la pile permet à un opérateur de disposer de l'information nécessaire pour décider de son intervention. L'invention propose d'utiliser de manière avantageuse la source de tension résiduelle Vresid = Vhaut - Vbas. La figure 2 illustre un exemple d'évolution de la tension résiduelle Vresid pendant la décharge de la pile à combustible. Elle montre des points particuliers permettant de dimensionner l'invention. A l'arrêt de l'utilisation de la pile, les cellules C1 à 0120 restent chargées de résidus de fluide, de l'oxygène et de l'hydrogène par exemple. Elles peuvent délivrer un courant instantané encore élevé, voire létal. Dans le présent exemple ayant permis à la demanderesse de valider l'invention, la tension d'arrêt est Varrêt=Vresid-148V. Un seuil de tension V5eu1i de l'ordre de 35V est défini, la demanderesse ayant vérifié qu'une intervention est envisageable sans risque en dessous de 40V. Ainsi, le module 7 de contrôle et l'élément 8 de visualisation concourent à la décharge effective de la pile afin de ramener la tension résiduelle Vresid de la valeur nominale Varrêt à la valeur d'intervention Vseuil, puis à une valeur Vrepos proche de OV lorsque la pile est complètement déchargée. Pour assurer l'autonomie du module 7 de contrôle et de l'élément 8 de visualisation, cette source de tension assure également l'alimentation des sous-modules électroniques associés. Il faut noter que le module 7 de contrôle et l'élément 8 de visualisation sont autonomes. Un courant de quelques dizaines de milliampères (mA) est généré, permettant de décharger la pile de manière régulière et dans un temps court compatible avec une attente raisonnable pour un opérateur amené à intervenir. Ce courant est exploité pour activer l'élément 8 de visualisation. Une intervention devient possible en dessous d'un seuil de tension Vseuii de l'ordre de 35 à 40V, le passage de ce seuil étant signalé par l'élément 8 de visualisation. La figure 3 illustre un exemple d'implémentation du module 7 de contrôle selon l'invention, dans le contexte d'une application automobile. Il peut comporter plusieurs sous-modules 9, 10, 11 et 13. Comme explicité par la suite, les sous-modules 9 et 11 peuvent avantageusement être en pluralité. Leur nombre dépend en fait de la tension Varrêit=Vresid initiale, soit 148V maximum dans le présent exemple de réalisation. L'utilisation de cette tension Vresid comme seule source d'alimentation assure l'autonomie du dispositif selon l'invention. Dans le présent exemple de réalisation, l'élément de visualisation 8 peut avantageusement être une diode électroluminescente rouge. Un courant Idecharg de quelques dizaines de milliampères est prélevé à la pile pour être consommé en partie par la diode électroluminescente rouge et en partie par une résistance de charge qui sera détaillée par la suite. Outre sa fonction de consommation, la diode électroluminescente joue également le rôle d'indicateur visuel de décharge pour l'opérateur. Lorsqu'elle est allumée, c'est-à-dire au-dessus de Vseuii à 35V-40V, l'intervention n'est pas possible. Lorsqu'elle est éteinte, c'est-à-dire en-dessous de Vseuii à 35V-40V, l'intervention est possible. Le sous-module 11, considéré dans sa pluralité, permet de générer le courant Idecharg• Pour protéger ce générateur de courant 11, un limiteur de tension 9 peut avantageusement être disposé à ses bornes pour limiter la tension. Le sous-module 13 est un module de décharge qui, comme ce sera explicité par la suite, est compatible avec le courant Idecharg. Compte tenu du choix fait pour l'élément 8 de visualisation, à savoir une diode électroluminescente, le sous-module 13 assure aussi une régulation de tension compatible avec un fonctionnement nominal de la diode. Le sous-module 10 est un régulateur de tension qui peut avantageusement permettre de délivrer une tension stable Vdecharg et de débiter le courant Idecharg dans le sous-module 13. La figure 4 illustre un exemple d'implémentation du module 13 de décharge. L'élément 8 de visualisation, qui est une diode électroluminescente, est avantageusement intégré au module de décharge 13 dans le présent exemple de réalisation. Cette diode peut par exemple avoir une tension de polarisation usuelle autour de 1,5V. A cette tension de 1,5V, elle est allumée et il est impossible d'intervenir sur la pile. Le régulateur de tension 10 peut quant à lui réguler une tension de décharge Vdécharg autour de 5V par rapport au point A, de manière à rester compatible avec les tensions usuelles d'une électronique embarquée bipolaire. Le régulateur de tension 10 peut se voir appliquer une tension d'entrée Vin, toujours par rapport au point A, au moins égale à Vdecharg+l ,2V, soit 5V+1,2V=6,2V. Un courant de décharge Idecharg constitué comme la somme d'un courant traversant la diode électroluminescente 8, ce courant pouvant avantageusement être limité par des résistances 16 et par un limiteur de tension 14 associé à une résistance 31 d'un courant talon traversant une résistance de charge 30. La demanderesse a mesuré le courant Idécharg entre 26mA et 40mA pour une tension Vin variant de 6 à 30V. Le courant Idecharg correspond, au courant dissipé dans le régulateur 10 près, au courant consommé à l'entrée Vin. La tension Vin ne pouvant dépasser la tension maximale d'une quarantaine de volts, il n'est donc pas possible de faire supporter la tension Varrêt à cet exemple de module de décharge 13 sans le détruire. La figure 5 illustre un exemple d'implémentation du module 11 de génération de courant. L'invention propose une solution avantageuse pour que le courant de décharge puisse être issu de la pile elle-même, autrement dit pour que la pile, tout en étant un générateur de tension Vrésid qui se décharge, débite un courant ldecharg+E. Ceci est possible dès l'instant où certains régulateurs de tension sont montés en générateur de courant, comme illustré par la figure 5. Ainsi, le générateur de courant 11 peut avantageusement comporter un régulateur de tension 17 délivrant une tension stable choisie comme étant Vdecharg, c'est-à-dire 5V. La tension d'entrée Vin minimale est égale à Vdecharg augmentée au moins de typiquement 2V. Deux capacités 18 assurent une stabilité des signaux Vin et Vdecharg. Si le montage électronique est respecté, alors Vin=(VA-VB)+(VB-VD) et Vdecharg=(Vc-VB)+(VB-VD). Le point B constitue une masse flottante commune à l'entrée et à la sorte du circuit. Le courant ldecharg fourni par le générateur de courant 11 dans une charge 19 de résistance R19 est donné par l'équation Vdecharg/R15 où R15 est la résistance d'une charge 15. Pour que le générateur de courant 11 puisse délivrer son courant dans la charge 19, il existe une tension VB-VD et celle-ci se régule autour de la tension constante IdechargxRl9• Ce mécanisme est possible lorsque Vin augmente. Cependant, un tel générateur de courant 11 n'est pas directement utilisable aux bornes de la pile, la tension maximale VA-VB ne pouvant dépasser 40V. Afin de le protéger contre d'éventuelles surtensions, un sous-module 9 assurant une limitation à 24V par mise en série de deux diodes Zéner 12V peut avantageusement lui être adjoint. Aux pertes près dans le régulateur, le courant d'entrée est assimilé au courant ldecharg• Lorsque la tension Vin devient supérieure à 24V+(VB-VD), alors un courant Zéner E apparaît au prorata de cette tension supplémentaire. Il s'ajoute au courant ldecharg et c'est lui qui est fourni à la charge 19. Aux pertes dans le régulateur 17 près, les courants d'entrée ldecharg+p et ldecharg+E sont proches. Lorsque la tension Vin est inférieure à 5V+2V, alors le régulateur n'opère pas et le courant ldecharg n'est pas délivré correctement. La tension VB-VD n'est pas effective. Cependant, un tel module 11 de génération de courant selon l'invention ne peut être mis seul aux bornes de la pile à la tension Varrêt, les diodes Zéner ne pouvant limiter une tension aussi importante. C'est pourquoi plusieurs modules 11 sont arrangés en série aux bornes de la pile, comme détaillé ci-dessous. La figure 6a illustre un exemple de mise en série de plusieurs modules 11 de génération de courant selon l'invention. En effet, l'invention propose une solution avantageuse pour mettre en série les modules 11 de génération de courant jusqu'à supporter la tension Varrêt. La charge 19 et le point de masse flottante B peuvent représenter les entrées d'un nouveau module de génération de courant. Comme représenté à la figure 6a, deux autres modules 11 ont été cascadés et deux points de masse flottantes Al et A2 ont été intégrés. La charge 19 et le point B ont été décalés. La tension Vresid peut être considérée comme la somme de (Vin1-Vin2), (Vin2-Vin3), (Vin3- Vin4) et (VB-VD). Si la tension Vresjd est suffisante pour délivrer une tension d'équilibre 3X(Vdécharg+2V)+ldecharg4XR19(VB-VD) avec Idecharg4-Vdecharg/R15, alors le système est équilibré et le générateur de courant est actif. Le courant ldécharg4 délivré par le dernier module 11, aux pertes près dans son régulateur 17, correspond donc au courant Idecharg3 présent à l'entrée du dernier module 11. Comme le système est équilibré, ce courant correspond, aux pertes près dans un régulateur 17, au courant Idécharg2 présent à l'entrée du second module 11. Par un même raisonnement, il correspond au courant Idechargl présent en entrée du premier module 11, qui correspond bien au courant de décharge de la pile. Si la tension Vresid devient supérieure à 3x24+ldecharg4xR19(VB-VD), alors la protection des modules est active et un nouveau point d'équilibre est trouvé avec un courant de charge Idecharg4+�, E étant dérivé par les diodes Zéner de limitation. Si la tension Vresid devient inférieure à (Vdécharg+2V)+ldecharg4XR19(VB-VD), alors les régulateurs 17 ne sont plus correctement alimentés et les courants délivrés ne sont pas corrects. II n'y a pas de tension délivrée entre les points B et D. On voit que l'on peut par addition successive de modules atteindre une tension Vresid compatible avec la tension présente sur la pile lorsque celle-ci vient de s'arrêter, c'est-à-dire Varrêt. Dans le présent exemple de réalisation, une succession de cinq modules permet d'exploiter une source de tension Vresid variant entre 5x7+ldecharg4xR19(VB-Vo) et 5x24+ldecharg4+cxR19. 35 On pourra ainsi se situer soit en saturation si les cellules de pile délivrent une tension maximale de 1,23V (120x1,23V=148V) et les diodes Zéner joueront leur rôle de limiteur de tension, soit en zone intermédiaire quand les piles sont arrêtées dans leur mode de fonctionnement nominal (1,1Vxl20=132V et 0,3Vx120=36V). Avantageusement, l'invention met en évidence une tension intrinsèque particulière Vseuii définie comme la tension minimale permettant la mise en fonction d'un régulateur 17 et donc la décharge effective de la pile. Cette tension de seuil peut être globalement définie par Vseuil=Nb_modx(Vdécharg+2V)+Idecharg4xR19(VB-VD), où Nb_mod est le nombre de modules de génération de courant selon l'invention. Comme précisé ci-dessus, dans le contexte d'une application automobile, cinq modules sont nécessaires et Vseuii=35+Idecharg4xR19(VB-VD). On a également fixé le courant nominal de décharge Idecharg4=Vdecharg/R15=5V/2004=25mA. La figure 6b illustre un autre exemple de mise en série de plusieurs modules 11 de génération de courant selon l'invention. En effet, l'invention propose une solution avantageuse pour intégrer le module 13 de décharge et son régulateur 10 associé, en lieu et place de la charge 19. Pour que le système fonctionne, la pile doit délivrer une tension Vrésid prenant en compte la tension VB-VD aux bornes de la charge 19. L'intégration du module 13 de décharge doit donc respecter ce principe. Le régulateur 10 demande une tension minimale de 6,2V pour délivrer une tension régulée Vdécharg de 5V. Afin que le système se régule, le courant Idécharg délivré par le régulateur 10 doit correspondre au courant Idécharg4, aux pertes près, présent à l'entrée du régulateur 10. Dans le contexte de la présente application automobile, Idécharg4 se situe autour de 25mA. A cet effet, la résistance 30 est fixée à 24952, la résistance 31 à 40052 et le limiteur 14 à 2,4V, ce qui donne un courant consommé proche de 25mA. Lorsque Vrésid se situe dans la plage allant d'un mode bloqué où la pile ne se décharge plus, tout au moins au travers de son module de décharge (35V+6,2V), à un mode saturé (120V+6,2V) où les diodes Zéner commencent à limiter la tension aux bornes des régulateurs, la pile se décharge dans 30 et 31 ainsi que dans la diode électroluminescente. La diode reste éclairée le temps de cette décharge. Un atout majeur de l'invention est sa conception en totale autonomie. Aucune source d'alimentation n'est nécessaire au fonctionnement du module 7 de contrôle et de l'élément 8 de visualisation. De plus, les différents paramètres comme les tensions de seuil, les limiteurs de tension et les courants de décharge sont intrinsèques aux composants qui implémentent l'invention. L'invention a encore pour principaux avantages d'optimiser l'encombrement et le coût. En effet, dans le cadre d'une application automobile par exemple, la taille de la pile peut restreindre considérablement l'encombrement laissé au système de diagnostic des cellules. II peut être avantageux de réaliser le module de contrôle de la tension résiduelle selon l'invention sur un circuit imprimé monté en mezzanine sur le système de diagnostic des cellules. Les plots de sortie des cellules sont alors reliés au système de diagnostic par l'intermédiaire de limandes. L'invention permet également d'augmenter la durée de vie de la pile. En effet, elle permet de consommer plus rapidement les combustibles et comburants résiduels, limitant ainsi les phénomènes de diffusion anode- cathode qui génèrent une combustion thermique interne à la pile et sont susceptibles d'altérer ses membranes. L'invention permet aussi de décharger uniformément l'ensemble des condensateurs situés à l'entrée des organes connectés à la pile, comme les convertisseurs de tension par exemple. Ainsi, l'indicateur de tension sur la pile renseigne aussi sur l'état de décharge des auxiliaires électrotechniques reliés à la pile. Ce dispositif permet donc aussi de simplifier l'architecture systèmes électriques, puisqu' il permet de s'affranchir de la présence d'un contacteur entre la pile à combustible et les organes qui lui sont connectés. Par ailleurs, elle présente une remarquable modularité, permettant d'adapter très facilement le dispositif en fonction du nombre de cellules élémentaires composant la pile à combustible. En minimisant le nombre de composants impliqués dans la mesure, elle offre également un excellent niveau de sûreté de 35 fonctionnement. Enfin, l'invention présente l'avantage d'être également applicable à des piles constituées de plusieurs blocs chaînés, à des électrolyseurs, à des éléments de batteries, à des condensateurs ou encore à des supercapacités.5 REVENDICATIONS1. Dispositif pour contrôler la baisse de la tension résiduelle aux bornes d'une pile à combustible après son arrêt, comportant: des moyens (11) pour prélever un courant à la pile, de manière à la décharger; des moyens (13) pour consommer le courant prélevé; le dispositif étant caractérisé en ce que les moyens pour consommer le courant prélevé incluent des moyens (8) pour signaler lorsque la tension résiduelle est en dessous d'un seuil donné. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est alimenté uniquement par le courant prélevé à la pile, de sorte que le dispositif est autonome. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (11) pour prélever le courant à la pile comportent un régulateur de tension (17) arrangé de telle sorte qu'il se comporte en générateur de courant tant que la tension résiduelle est au dessus du seuil. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (8) pour signaler lorsque la tension résiduelle est en dessous d'un seuil donné comportent une diode électroluminescente, la diode restant allumée tant que la tension résiduelle est au dessus du seuil et s'éteignant lorsque la tension résiduelle passe en-dessous du seuil. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9) pour limiter la tension aux bornes des moyens (11) pour prélever le courant à la pile. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (9) pour limiter la tension comportent des diodes Zéner arrangées en série. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de moyens (11) de génération de courant sont arrangés en série entre lesbornes de la pile, de manière à supporter la tension résiduelle maximale délivrée par la pile à l'instant de son arrêt. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (13) pour consommer le courant prélevé incluent une résistance de charge (30). 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (10) pour réguler la tension aux bornes des moyens (13) pour ~o consommer le courant prélevé.