Brevet FR3125177A1 — publié le 20230113

Procédé de gestion de fonctionnement d’un générateur électrique à pile à combustible comprenant, lors d’un début d’alimentation en hydrogène de la pile à combustible avec montée en tension progressive de ladite pile, un mode de démarrage (720) comportant une alimentation de l’unité centrale par une première tension limitée de sortie de la pile suffisante pour charger le premier étage de supercondensateurs du premier circuit, une coupure du second circuit par l’unité centrale, un mode de préchauffage de la pile (730) pour lequel l’unité centrale autorise la charge du second étage de supercondensateurs (42) du second circuit et maintient ouvert le circuit de ladite au moins une sortie de puissance (52a, ..., 52n) jusqu’à ce que la pile atteigne une tension de fonctionnement nominale (760) et un mode de marche pour lequel l’unité centrale autorise l’alimentation de ladite au moins une sortie de puissance S HP , le procédé comprenant en outre une séquence d’arrêt (860, 870, 880) initiée par l’unité centrale sur détection d’une baisse de tension ou de puissance de sortie de la pile pendant un temps donné. Figure de l’abrégé : Figure 6 PROCEDE DE GESTION DE FONCTIONNEMENT D’UN GENERATEUR A PILE A COMBUSTIBLE La présente divulgation relève du domaine des dispositifs d’alimentation électrique à piles à combustible et notamment des dispositifs d’alimentation de matériels tels que des ordinateurs personnels portables (PC portables), des téléphones portables, des éclairages ou autres dispositifs, ou des véhicules de type bicyclette électrique utilisant une pile à combustible associée à une source de production d’hydrogène non régulée, et dépourvus de batterie. Il est connu de réaliser des dispositifs d’alimentation électrique utilisant des piles à combustibles, ou piles à hydrogène, comme source primaire d’énergie. Le document US2020/0044299 A1 concerne un dispositif d’alimentation à pile à combustible dont la régulation met en œuvre une batterie, une pile à hydrogène et une supercapacité pour lequel la gestion de la pile à combustible dépend de l’état de charge de la batterie. Un tel dispositif qui met en œuvre trois sources d’énergie est complexe à gérer et son bon fonctionnement dépend du bon fonctionnement de la batterie qui est un objet lourd et dont la durée de vie est limitée. Le document CN 105299495 A prévoit un dispositif d’alimentation électrique à pile à combustible dont l’hydrogène est produit à partir de méthanol et prévoit de réguler la production d’hydrogène et un empilement de sous cellules de pile à combustibles comportant une supercapacité. Dans ce document une régulation de la production d’hydrogène est prévue. Ces documents sont difficilement applicables à un dispositif ne comportant pas de batterie et dont la source de production d’hydrogène ne peut être régulée, comme dans le cas d’un matériau réactif en poudre produisant de l’hydrogène lorsqu’il est mis en contact avec de l’eau dont la réaction ne peut être régulée, ou dans le cas d’une bouteille d’hydrogène sous pression si l’on ne souhaite pas gérer l’arrivée d’hydrogène. Par ailleurs il est souhaitable de supprimer la batterie tampon de dispositifs antérieurs pour limiter le poids de dispositifs portatifs et leur durée de vie de stockage notamment. Résumé Vis-à-vis de l’art antérieur, la présente divulgation vise ainsi à améliorer la gestion du fonctionnement d’un générateur électrique à pile à combustible dépourvu de batterie tampon et dépourvu de régulation de sa source d’alimentation en hydrogène pour rendre son démarrage, son fonctionnement et son arrêt indépendant du débit d’hydrogène dans la pile à combustible. Pour ce faire la présente divulgation prévoit un procédé de gestion de fonctionnement d’un générateur électrique à pile à combustible comportant : - un premier circuit de fourniture d’énergie à une unité centrale basse consommation de pilotage dudit générateur, ledit premier circuit, raccordé à la pile à combustible, étant pourvu d’un premier étage de supercondensateurs LPSC, d’alimentation de ladite unité centrale, - au moins un second circuit, dit circuit de puissance, de fourniture d’énergie à au moins une sortie de puissance d’alimentation d’un équipement raccordé audit générateur, distinct du premier circuit, ledit deuxième circuit, raccordé à la pile à combustible, étant pourvu d’un second étage de supercondensateurs HPSC (aussi appelé HP SCAP), le premier circuit étant configuré pour que le premier étage d’hybridation à supercondensateurs fournisse une réserve d’énergie adaptée à permettre à l’alimentation de l’unité centrale d’être indépendante du fonctionnement du second circuit, le procédé comprenant, lors d’un début d’alimentation en hydrogène de la pile à combustible avec montée en tension progressive de ladite pile, un mode de démarrage comportant une alimentation de l’unité centrale par une première tension limitée de sortie de la pile suffisante pour charger le premier étage de supercondensateurs du premier circuit, une coupure du second circuit par l’unité centrale, un mode de préchauffage de la pile pour lequel l’unité centrale autorise la charge du second étage de supercondensateurs du second circuit et maintient ouvert le circuit de ladite au moins une sortie de puissance jusqu’à ce que la pile atteigne une tension de fonctionnement nominale et un mode de marche pour lequel l’unité centrale autorise l’alimentation de ladite au moins une sortie de puissance S HP , le procédé comprenant en outre une séquence d’arrêt initiée par l’unité centrale sur détection d’une baisse de tension de sortie de la pile pendant un temps donné. La séquence de démarrage peut comporter un test de tension de sortie de pile et pour lequel, dans le cas où la tension de sortie de la pile n’atteint pas une valeur minimale V 0 après un nombre d’essais donnés dans la séquence de démarrage, le générateur ladite séquence d’arrêt. La séquence de préchauffage peut comporter une séquence de test de tension de sortie du premier étage de supercondensateurs V LPSC et de tension de sortie du second étage de supercondensateurs V HPSC répétée tant que la tension de sortie du premier étage et la tension de sortie du second étage n’ont pas atteint des valeurs nominales données et se terminant, soit par le passage dans ladite étape de marche si lesdites tensions de sortie ont atteint lesdites valeurs nominales, soit par le déclenchement de ladite séquence d’arrêt si la température θ de la pile dépasse une température maximale θ max . Cette séquence de préchauffage permet la charge des supercondensateurs du second circuit tout en contrôlant que la température de la pile reste dans des limites acceptables. La séquence de marche peut comporter une première boucle comportant une première comparaison entre la tension de sortie pile V pile et une tension de seuil V min , ladite boucle déclenchant une boucle de régénération comportant au moins une purge calibrée de la pile lorsque la tension de la pile est inférieure à ladite tension de seuil. Il y a lieu de noter que la tension de seuil V min est inférieure à la tension à vide de la pile V 0 selon la courbe courant/tension traditionnelle d’une pile à combustible. La boucle de régénération peut comporter une seconde boucle pourvue d’une seconde comparaison entre la tension de sortie de la pile et ladite tension de seuil et pour lequel ladite séquence d’arrêt est déclenchée si la tension de sortie de la pile reste inférieure à ladite tension de seuil pendant une durée T1 max et pour lequel le générateur retourne en séquence de marche si la tension de sortie de la pile est redevenue supérieure ou égale à ladite tension de seuil après une dite purge calibrée pendant une durée inférieure à T1 max . Ladite séquence d’arrêt peut comporter la coupure de la ou des sorties de puissance, la coupure d’un convertisseur d’alimentation du second étage de supercondensateurs HPSC. La séquence d’arrêt peut comporter une ouverture de l’électrovanne de purge qui va vider le circuit hydrogène de la pile. La séquence d’arrêt peut en outre comporter l’arrêt de la pile, la décharge du premier étage de supercondensateurs et un arrêt de l’unité centrale. La pile comportant un capteur de température et un ventilateur reliés à l’unité centrale, le procédé peut comporter un arrêt dudit ventilateur lors de la séquence de démarrage et lors de la séquence d’arrêt, une mise en route à petite vitesse dudit ventilateur lors de la séquence de préchauffage et un fonctionnement du ventilateur à vitesse contrôlée par l’unité centrale en fonction de la température de la pile dans les séquences de marche et de régénération. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : montre un schéma de principe d’un générateur électrique ; montre un schéma de détail d’un exemple de circuit d’alimentation d’une unité centrale ; montre un schéma de détail d’un premier mode de réalisation d’étage d’hybridation à supercondensateurs ; montre un schéma de détail d’un second mode de réalisation d’étage d’hybridation à supercondensateurs ; montre un logigramme de gestion d’électrovanne de purge ; montre un exemple de logigramme et d’états de fonctionnement d’un générateur réalisable selon la présente divulgation. Procédé de gestion de fonctionnement d’un générateur électrique à pile à combustible comportant : un premier circuit (31, 41, 43) de fourniture d’énergie à une unité centrale (60) basse consommation de pilotage dudit générateur, ledit premier circuit, raccordé à la pile à combustible, étant pourvu d’un premier étage de supercondensateurs LPSC (43), d’alimentation de ladite unité centrale, au moins un second circuit (30, 40, 42, 50a, 51, 53), dit circuit de puissance, de fourniture d’énergie à au moins une sortie de puissance (52a) d’alimentation d’un équipement raccordé audit générateur, distinct du premier circuit, ledit deuxième circuit, raccordé à la pile à combustible, étant pourvu d’un second étage de supercondensateurs HPSC (42), le premier circuit étant configuré pour que le premier étage d’hybridation à supercondensateurs fournisse une réserve d’énergie adaptée à permettre à l’alimentation de l’unité centrale d’être indépendante du fonctionnement du second circuit, caractérisé en ce qu’il comprend, lors d’un début d’alimentation en hydrogène de la pile à combustible avec montée en tension progressive de ladite pile, un mode de démarrage (720) comportant une alimentation de l’unité centrale par une première tension limitée de sortie de la pile suffisante pour charger le premier étage de supercondensateurs du premier circuit, une coupure du second circuit par l’unité centrale, un mode de préchauffage de la pile (730) pour lequel l’unité centrale autorise la charge du second étage de supercondensateurs (42) du second circuit et maintient ouvert le circuit de ladite au moins une sortie de puissance S HP (52a, ..., 52n) jusqu’à ce que la pile atteigne une tension de fonctionnement nominale (760) et un mode de marche pour lequel l’unité centrale autorise l’alimentation de ladite au moins une sortie de puissance S HP , le procédé comprenant en outre une séquence d’arrêt (860, 870, 880) initiée par l’unité centrale sur détection d’une baisse de tension de sortie de la pile pendant un temps donné. Procédé selon la revendication 1, pour lequel la séquence de démarrage comporte un test de tension de sortie de pile et pour lequel, dans le cas où la tension de sortie de la pile n’atteint pas une valeur minimale V 0 après un nombre d’essais donnés (727) dans la séquence de démarrage, le générateur ladite séquence d’arrêt (860, 870, 880). Procédé selon la revendication 1 ou 2, pour lequel la séquence de préchauffage comporte une séquence de test (760) de tension de sortie du premier étage de supercondensateurs V LPSC et de tension de sortie du second étage de supercondensateurs V HPSC répétée tant que la tension de sortie du premier étage et la tension de sortie du second étage n’ont pas atteint des valeurs nominales données (850) et se terminant, soit par le passage dans ladite étape de marche si lesdites tensions de sortie ont atteint lesdites valeurs nominales, soit par le déclenchement de ladite séquence d’arrêt (860, 870, 880) si la température θ de la pile dépasse une température maximale θ max (850). Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, pour lequel la séquence de marche comporte une première boucle comportant une première comparaison (780) entre la tension de sortie pile V pile et une tension de seuil V min , ladite boucle déclenchant une boucle de régénération (790) comportant au moins une purge calibrée (800) de la pile lorsque la tension de la pile est inférieure à ladite tension de seuil. Procédé selon la revendication 4, pour lequel la boucle de régénération comporte une seconde boucle pourvue d’une seconde comparaison (830) entre la tension de sortie de la pile et ladite tension de seuil, pour lequel ladite séquence d’arrêt (860, 870, 880) est déclenchée si la tension de sortie de la pile reste inférieure à ladite tension de seuil pendant une durée T1 max et pour lequel le générateur retourne en séquence de marche si la tension de sortie de la pile est redevenue supérieure ou égale à ladite tension de seuil après une dite purge calibrée pendant une durée inférieure à T1 max . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel ladite séquence d’arrêt comporte la coupure de la ou des sorties de puissance, la coupure d’un convertisseur d’alimentation du second étage de supercondensateurs HPSC (42). Procédé selon la revendication 6 pour lequel la séquence d’arrêt comporte une ouverture de l’électrovanne de purge. Procédé selon la revendication 7 pour lequel la séquence d’arrêt comporte l’arrêt de la pile, la décharge du premier étage de supercondensateurs et un arrêt de l’unité centrale. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel, la pile comportant un capteur de température et un ventilateur reliés à l’unité centrale, le procédé comporte un arrêt dudit ventilateur lors de la séquence de démarrage, une mise en route à petite vitesse dudit ventilateur lors de la séquence de préchauffage et un fonctionnement du ventilateur à vitesse contrôlée par l’unité centrale en fonction de la température de la pile dans les séquences de marche et de régénération.