Brevet FR3135165A1 — publié le 20231103

Titre : Dispositif et procédé de détermination de l’état de santé d’une pile à combustible. Dispositif de détermination d’impédance d’une pluralité d’étages (2) d’une pile à combustible (3), le dispositif comprenant un système de mesure (11) ayant un système d’excitation (C1) commun à la pluralité d’étages (2), un circuit équivalent (C2) ayant une impédance de référence correspondant à celle d’un étage de la pluralité d’étages (2), et des moyens de sélection (M+, M-) aptes à sélectionner un étage (2) et le circuit équivalent (C2) ; le système de mesure étant configuré pour mesurer un signal de réponse d’un étage sélectionné (2) et un signal de réponse du circuit équivalent (C2) à l’application d’un signal d’excitation ; et déterminer une impédance de l’étage sélectionné à partir du signal de réponse de l’étage sélectionné et d’une erreur d’impédance calculée à partir de l’impédance de référence et d’une impédance déterminée du circuit équivalent à partir du signal de réponse du circuit équivalent (C2). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Dispositif et procédé de détermination de l’état de santé d’une pile à combustible. La présente invention concerne la détermination de l’impédance des étages d’une pile à combustible, et plus particulièrement d’une pile à hydrogène. Elle permet de déterminer l’état de santé d’une telle pile. ETAT DE LA TECHNIQUE Une pile à combustible a une structure en empilement de plaques métalliques, dites bipolaires, intercalées avec des membranes. Chaque paire de plaques, avec la membrane au milieu, est une couche ou étage, comprenant une électrode positive et une négative (anode et cathode) présentant un potentiel électrique lors du fonctionnement de la pile. La partie la plus délicate et cruciale pour les performances de la pile à combustible et pour sa longévité est en particulier la membrane, appelée également membrane PEM (« Proton Exchange Membrane» en langue anglaise), c’est-à-dire la membrane d’échange de protons d’une cellule à combustible. Pour une pile à hydrogène, la membrane constitue l’interface qui permet la réaction électrochimique entre l’oxygène et l’hydrogène produisant un courant électrique, notamment grâce à la présence d’un catalyseur. Si la membrane est trop sèche (accumulation de gaz inerte en son sein), ou au contraire si elle est trop humide (accumulation d’eau en son sein), ses performances, ainsi que les performances de la pile seront dégradées, avec une possible réduction de sa durée de vie. Plusieurs modèles représentatifs d’une pile à combustible existent, souvent à éléments discrets et capables de fournir une estimation de l’état de santé de la pile, et notamment de ses membranes. Ces modèles se basent très souvent sur une mesure de l’impédance électrique de la pile et de chacun de ses étages, à l’aide d’algorithmes de filtrage qui s’appuient sur les mesures de courant total et de tensions des étages de la pile obtenues lors de son fonctionnement normal. Afin de pouvoir exploiter ces modèles, il est nécessaire de connaître l’impédance de la pile, ou d’un étage de la pile, et plus particulièrement de connaître la résistance de la membrane à une fréquence précise, souvent égale à 1 kHz. En effet, l’impédance est la donnée d’entrée des modèles représentatifs de l’état de santé de la membrane et donc de la pile, et il est donc nécessaire de mesurer l’impédance, en particulier à 1 kHz, de chaque étage de la pile. Il est à noter qu’une mesure d’impédance à 1 kHz, ou à une autre fréquence requise par les algorithmes d’état, permet de déterminer un état de santé pertinent de la pile. Il existe des composants électroniques de mesure de tension, mais en général leur fréquence d’échantillonnage n’est pas suffisante pour mesurer une impédance à 1 kHz. D’autres dispositifs permettent de mesurer l’impédance d’une pile et de ses étages lors de son assemblage. Mais il s’agit d’instruments de laboratoire dédiés utilisés seulement après la mise en gaz de la pile, c’est-à-dire avant d’embarquer la pile dans un système, notamment un véhicule mobile. Ces instruments ne sont pas adaptés pour être transportés, ni pour être intégrés dans un appareil de diagnostique portatif. On peut citer par exemple, la demande de brevet chinois CN 109 916 964, qui divulgue un procédé dans lequel on sélectionne plusieurs gaz ayant différentes humidités afin de purger une pile à combustible et obtenir différentes résistances internes de la pile. Mais ce procédé n’est pas adapté pour mesurer l’impédance d’une pile en fonctionnement, notamment une pile embarquée au sein d’un système, par exemple un véhicule mobile. On peut également citer la demande de brevet américain US 2019 049 522, qui divulgue une estimation d’un état de santé (SOH, pour « State of Health » en langue anglaise) d’une pile à combustible, en appliquant un courant, ou une tension, d’excitation à toute la pile afin de déterminer un facteur de distorsion harmonique d’un signal résultant en tension, ou en courant. En outre, le procédé peut utiliser un modèle pour connaître l’état de santé de la pile. Mais le procédé ne permet pas de mesurer une impédance d’un étage en particulier. Il ne s’affranchit pas non plus des erreurs de mesure. On peut citer la demande de brevet américain US 2010 323 260, qui divulgue un procédé dans lequel on stocke en mémoire une valeur d’impédance mesurée au préalable sur une pile à combustible quand elle n’est pas en fonctionnement. Puis, on mesure l’impédance de la pile et on compare la valeur mesurée avec l’impédance de référence stockée en mémoire afin d’estimer une quantité d’eau présente dans le système. Le procédé ne permet pas non plus de connaître l’état de la membrane d’un étage de la pile. Il ne s’affranchit pas non plus des erreurs de mesure, notamment des erreurs de mesure sur l’impédance de la pile. Un objet de la présente invention est donc de proposer des moyens pour améliorer l’estimation de l’état de santé d’une pile. Un autre objet consiste à fournir des moyens pour estimer l’état de santé de la pile lorsque cette dernière est en fonctionnement pour produire une énergie électrique. Un autre objet consiste à fournir des moyens simples à réaliser et à mettre en œuvre. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RESUME Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, on prévoit un dispositif de détermination d’impédance d’une pluralité d’étages d’une pile à combustible, chaque étage de la pluralité d’étages comprenant un électrolyte placé entre deux électrodes, le dispositif comprenant : plusieurs circuits de connexion associés respectivement aux étages de la pluralité d’étages, chaque circuit de connexion étant électriquement couplé aux électrodes de l’étage associé, et un système de mesure comprenant un système d’excitation commun à la pluralité d’étages. Le système de mesure comporte un circuit, dit circuit équivalent, ayant une impédance de référence correspondant à celle d’un étage de la pluralité d’étages, et des moyens de sélection aptes à sélectionner un étage de la pluralité d’étages en couplant électriquement le circuit de connexion associé avec le système d’excitation, les moyens de sélection étant en outre aptes à sélectionner le circuit équivalent en couplant électriquement le circuit équivalent avec le système d’excitation, et le système de mesure est configuré pour : appliquer à l’étage sélectionné un signal d’excitation généré par le système d’excitation ; mesurer un signal de réponse de l’étage sélectionné à l’application du signal d’excitation ; appliquer au circuit équivalent un signal d’excitation généré par le système d’excitation ; mesurer un signal de réponse du circuit équivalent à l’application du signal d’excitation ; déterminer une impédance du circuit équivalent à partir du signal de réponse du circuit équivalent ; calculer une erreur d’impédance à partir de l’impédance de référence et de l’impédance déterminée du circuit équivalent, et déterminer une impédance de l’étage sélectionné à partir du signal de réponse de l’étage sélectionné et de l’erreur d’impédance. Ainsi, le dispositif permet de déterminer une impédance de chacun des étages de la pluralité d’étages et de préférence de tous les étages de la pile. La détermination de l’impédance d’un étage permet de déterminer des informations relatives à l’état de santé de l’étage, et donc de la pile, comme par exemple une variation de la résistance de l’électrolyte. Un tel dispositif est particulièrement peu encombrant et peut être facilement intégré au sein d’un système où est embarquée la pile, notamment un système mobile. Selon un autre aspect, il est proposé un assemblage, comprenant : une pile à combustible comprenant une pluralité d’étages, chaque étage de la pluralité d’étages comprenant un électrolyte placé entre deux électrodes ; et un dispositif de détermination de l’impédance de la pluralité d’étages de la pile à combustible tel que défini ci-avant. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de détermination d’impédance d’une pluralité d’étages d’une pile à combustible, chaque étage de la pluralité d’étages comprenant un électrolyte placé entre deux électrodes. Le procédé comprend : une première mesure comportant : une sélection d’un étage en couplant électriquement les électrodes de l’étage avec un système d’excitation commun à la pluralité d’étages ; une application à chaque étage sélectionné d’un signal d’excitation généré par le système d’excitation ; et une mesure d’un signal de réponse de l’étage sélectionné à l’application du signal d’excitation ; une deuxième mesure effectuée avant ou après la première mesure, la deuxième mesure comportant : une sélection d’un circuit, dit circuit équivalent, ayant une impédance de référence correspondant à celle d’un étage de la pluralité d’étages, en couplant électriquement le circuit équivalent avec le système d’excitation ; une application au circuit équivalent d’un signal d’excitation généré par le système d’excitation ; et une mesure d’un signal de réponse du circuit équivalent à l’application du signal d’excitation ; le procédé comprenant, en outre : une détermination d’une impédance du circuit équivalent à partir du signal de réponse du circuit équivalent ; un calcul d’une erreur d’impédance à partir de l’impédance de référence et de l’impédance déterminée du circuit équivalent, et une détermination d’une impédance de l’étage sélectionné à partir du signal de réponse de l’étage sélectionné et de l’erreur d’impédance. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La représente de façon schématique un mode de réalisation d’un dispositif de détermination d’impédance. La représente de façon schématique un mode de réalisation d’un système d’excitation. La représente schématiquement un mode de réalisation d’un circuit équivalent. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. Dispositif de détermination d’impédance d’une pluralité d’étages (2) d’une pile à combustible (3), chaque étage de la pluralité d’étages (2) comprenant un électrolyte (4) placé entre deux électrodes (5, 6), le dispositif comprenant : plusieurs circuits de connexion (10) associés respectivement aux étages de la pluralité d’étages (2), chaque circuit de connexion (10) étant électriquement couplé aux électrodes (5, 6) de l’étage (2) associé, et un système de mesure (11) comprenant un système d’excitation (C1) commun à la pluralité d’étages (2), caractérisé en ce que le système de mesure (11) comporte un circuit (C2), dit circuit équivalent, ayant une impédance de référence (Zref) correspondant à celle d’un étage de la pluralité d’étages (2), des moyens de sélection (M+, M-) aptes à sélectionner un étage de la pluralité d’étages (2) en couplant électriquement le circuit de connexion (10) associé avec le système d’excitation (C1), les moyens de sélection (M+, M-) étant en outre aptes à sélectionner le circuit équivalent (C2) en couplant électriquement le circuit équivalent (C2) avec le système d’excitation (C1) ; et en ce que le système de mesure (11) est configuré pour : appliquer à l’étage sélectionné un signal d’excitation généré par le système d’excitation (C1) ; mesurer un signal de réponse de l’étage sélectionné à l’application du signal d’excitation ; appliquer au circuit équivalent (C2) un signal d’excitation généré par le système d’excitation (C1) ; mesurer un signal de réponse du circuit équivalent (C2) à l’application du signal d’excitation ; déterminer une impédance du circuit équivalent (Zref_meas) à partir du signal de réponse du circuit équivalent (C2) ; calculer une erreur d’impédance (ez) à partir de l’impédance de référence (Zref) et de l’impédance déterminée du circuit équivalent (Zref_meas), et déterminer une impédance de l’étage sélectionné (Zcell) à partir du signal de réponse de l’étage sélectionné et de l’erreur d’impédance (ez). Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le système de mesure (11) comprend une unité de commande électronique (MCU) et les moyens de sélection (M+, M-) comprennent au moins un multiplexeur commandé par l’unité de commande électronique (MCU). Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le circuit électrique équivalent (C2) comprend un ensemble de composants ayant pour impédance, l’impédance de référence (Zref), et une source de tension (V1) pour alimenter l’ensemble de composants, la source de tension (V1) fournissant une tension équivalente à celle fournie par un étage. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le système de mesure (11) est configuré pour déterminer l’impédance d’un étage sélectionné (Zcell) périodiquement selon une première période et pour déterminer l’impédance du circuit équivalent (Zref_meas) périodiquement selon une deuxième période inférieure ou égale à la première période. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque circuit de connexion (10) comprend deux fils électriquement conducteurs (12, 13) couplés aux moyens de sélection (M+, M-) et le circuit électrique équivalent (C2) comprend deux éléments électriquement conducteurs (21, 22) couplés aux moyens de sélection (M+, M-), la température des fils électriquement conducteurs (12, 13) couplés aux moyens de sélection (M+, M-) présentent un écart de température ΔT°C avec les éléments électriquement conducteurs (21, 22), tel que ΔT°C Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les deux éléments électriquement conducteurs (21, 22) empruntent au moins partiellement une zone où sont situés les deux fils électriquement conducteurs (12, 13) d’au moins un circuit de connexion (10). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de mesure (11) est imprimé sur une carte de circuits imprimés (30). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque circuit de connexion (10) comprend deux fils électriquement conducteurs (12, 13) couplés aux moyens de sélection (M+, M-) et le circuit électrique équivalent (C2) comprend deux éléments électriquement conducteurs (21, 22) couplés aux moyens de sélection (M+, M-), l’impédance de chacun des deux éléments (21, 22) étant comprise entre 0,9 fois et 1,1 fois celle de chacun des deux fils (12, 13) des circuits de connexion (10). Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la section et la longueur de chacun des deux éléments (21, 22) est comprise entre 0,9 fois et 1,1 fois, de préférence identique, à celles de chacun des deux fils (12, 13) des circuits de connexion. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de mesure (11) est alimenté par une source d’alimentation indépendante de la pile à combustible (3). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le signal d’excitation a une fréquence comprise entre 0.1Hz et 10000Hz, de préférence comprise entre 100Hz et 5000Hz, de préférence égale à 1000Hz. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pluralité d’étages (2) correspond à l’intégralité des étages (2) de la pile à combustible (3). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un unique système d’excitation (C1) pour la pluralité d’étages (2), de préférence un unique circuit d’excitation (C1) pour l’intégralité des étages (2) de la pile à combustible (3). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de mesure (11) est en outre configuré pour déterminer l’impédance de l’étage sélectionné (Zcell) lorsque la pile à combustible (3) fournit une énergie électrique. Assemblage, comprenant : une pile à combustible (3) comprenant une pluralité d’étages, chaque étage de la pluralité d’étages (2) comprenant un électrolyte placé entre deux électrodes ; et un dispositif de détermination de l’impédance de la pluralité d’étages (2) de la pile à combustible (3) selon l’une des revendications précédentes. Procédé de détermination d’impédance d’une pluralité d’étages (2) d’une pile à combustible (3), chaque étage de la pluralité d’étages (2) comprenant un électrolyte placé entre deux électrodes, caractérisé en ce que le procédé comprend : une première mesure comportant : une sélection d’un étage en couplant électriquement les électrodes de l’étage avec un système d’excitation (C1) commun à la pluralité d’étages (2) ; une application à chaque étage sélectionné d’un signal d’excitation généré par le système d’excitation (C1) ; et une mesure d’un signal de réponse de l’étage sélectionné à l’application du signal d’excitation ; une deuxième mesure effectuée avant ou après la première mesure, la deuxième mesure comportant : une sélection d’un circuit, dit circuit équivalent (C2), ayant une impédance de référence (Zref) correspondant à celle d’un étage de la pluralité d’étages, en couplant électriquement le circuit équivalent (C2) avec le système d’excitation (C1) ; une application au circuit équivalent (C2) d’un signal d’excitation généré par le système d’excitation (C1) ; et une mesure d’un signal de réponse du circuit équivalent (C2) à l’application du signal d’excitation ; le procédé comprenant, en outre : une détermination d’une impédance du circuit équivalent (Zref_meas) à partir du signal de réponse du circuit équivalent (C2) ; un calcul d’une erreur d’impédance (ez) à partir de l’impédance de référence (Zref) et de l’impédance déterminée du circuit équivalent (Zref_meas), et une détermination d’une impédance de l’étage sélectionné (Zcell) à partir du signal de réponse de l’étage sélectionné et de l’erreur d’impédance (ez). Procédé selon la revendication précédente, comprenant une alimentation du circuit équivalent (C2) par une source d’alimentation (V1) indépendante de la pile à combustible (3). Procédé selon l’une des revendications 16 à 17, comprenant une détermination périodique, selon une première période, de l’impédance d’un étage sélectionné (Zcell) et une détermination périodique, selon une deuxième période inférieure ou égale à la première période, de l’impédance du circuit équivalent (Zref_meas). Procédé selon l’une des revendications 16 à 18, dans lequel la pile à combustible (3) produit de l’énergie électrique.