Brevet FR3151709A1 — publié le 20250131

L’invention concerne un procédé de commande d’un compresseur électrifié (eC) dans une architecture de pile à combustible comprenant : - ledit compresseur électrifié (eC) ; - un réservoir d’air (AT) ; - plusieurs systèmes de piles à combustible, chacun comprenant un humidificateur (H), un refroidisseur (R) et un empilement de piles à combustible (FS) ; le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : - déterminer une demande (RI) de débit d’air et de pression des piles à combustible ; - déterminer un point de consigne de pression minimum et un point de consigne de vitesse de compresseur électrifié (eC) ; - commander le compresseur électrifié (eC) sur la base desdits points de consigne ; - mesurer la pression du réservoir d’air (AT). L’invention concerne également un programme et une architecture sur la base d’un tel procédé. Figure de l’abrégé : Fig. 3 PROCEDE DE COMMANDE D’UN COMPRESSEUR ELECTRIFIE, PROGRAMME ET ARCHITECTURE SUR LA BASE D’UN TEL PROCEDE L'invention se rapporte au domaine des systèmes de piles à combustible, notamment pour des moteurs électriques. L’invention concerne plus particulièrement l’alimentation en air de ces systèmes. Ce type de système de pile à combustible est illustré en . Le système de moteur électrique EM est du type alimenté par un système de piles à combustible à empilements FS couplé à une batterie B. Le contrôle du système de piles à combustible est réalisé par un module de gestion d’air AMS, tandis que le contrôle de la batterie B est effectué par un module de gestion d’énergie EMS communiquant avec le module de gestion d’air AMS. Les véhicules électriques à pile à combustible (ou FCEV pour « Fuel Cell Electric Vehicles » en langue anglaise) n'ont pas encore atteint leur plus haut niveau de développement sur le marché dans l'industrie automobile en raison de certains obstacles tels qu’une indisponibilité de l'infrastructure de ravitaillement en hydrogène et une durée de vie limitée. L'association d'une batterie avec un système de piles à combustible multi-empilées, à savoir un agencement de piles à combustible à faible puissance (conçu pour les voitures à passagers) plutôt qu'un empilement à haute puissance, peut être une solution à certains des obstacles susmentionnés au développement des piles à combustible. La pile à combustible à empilements FS peut être connectée à un seul et unique ensemble d’équipements auxiliaires, les équipements auxiliaires peuvent notamment désigner un compresseur eC, humidificateur H, refroidisseur intermédiaire R, dispositif de recirculation, soupape de contre-pression. Autrement dit, l’ensemble des empilements FS constituant la pile à combustible est relié à l’unique ensemble d’équipement. Dans ce cas, la pression d'air et d'hydrogène et le débit massique d'air des différents empilements FS (et donc la puissance des empilements) ne peuvent pas être contrôlés individuellement. Une autre solution consiste à dupliquer l’ensemble d’équipements auxiliaires pour chaque empilement FS tel qu’illustré en . Dans cette autre solution, avec une architecture à empilements FS, chaque empilement FS est donc connecté à un compresseur électrifié eC qui lui est propre pour lui fournir de l'oxygène. Chaque compresseur électrifié eC est géré indépendamment. Ainsi, le poids et la consommation d’énergie peuvent être optimisés par rapport à la solution présentant l’utilisation d’un unique ensemble d’équipements auxiliaires. Un objectif de la présente invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution permettant de limiter le poids des systèmes de piles à combustible à empilements, et de limiter leur consommation d’énergie. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un procédé de commande d’un compresseur électrifié dans une architecture de pile à combustible comprenant : - le compresseur électrifié recevant de l’air ambiant, couplé à un premier contrôleur ; - un réservoir d’air en communication fluidique en aval du compresseur électrifié ; - plusieurs systèmes de piles à combustible couplés à un deuxième contrôleur, étant en communication fluidique en aval du réservoir d’air, chacun comprenant un humidificateur, un refroidisseur et un empilement de piles à combustible ; - une sortie d’air équipée d’une soupape de pression, en communication fluidique en aval de chaque système de pile à combustible, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : - une première étape de détermination d’une demande de débit d’air et de pression des piles à combustible ; - une deuxième étape de détermination d’un point de consigne de pression minimum et d’un point de consigne de vitesse de compresseur électrifié en fonction de la demande de débit d’air et de pression ; - une étape de mesure de la pression du réservoir d’air ; et - une étape de commande du compresseur électrifié sur la base du point de consigne de compresseur pour que la pression du réservoir d’air atteigne le point de consigne de pression. Avantageusement, l’invention permet d’avoir un gain d’espace et d’énergie en utilisant un compresseur électrifié connecté à plusieurs piles à combustible. En outre, l’invention permet de gérer le chargement/déchargement du réservoir d'air du système afin que des débits et des pressions d'air appropriés puissent être fournis aux piles et maintenir le compresseur électrifié dans une bonne zone d'efficacité. Selon une variante, la demande de débit d'air et de pression des piles est déterminée en fonction des demandes de puissance des piles à combustible. Cela permet de déterminer un débit d’air et une pression permettant le fonctionnement optimal des piles à combustible. Selon une variante, le point de consigne de pression minimum et le point de consigne de vitesse de compresseur électrifié, sont déterminés par des paramètres du compresseur en fonction du débit et de la pression avec des courbes de même vitesse. Selon une variante, l’étape de commande du compresseur électrifié comprend les sous-étapes suivantes : - activer le compresseur électrifié avec une limitation du débit d'air pour maximiser l'efficacité du compresseur ; - activer le compresseur électrifié à la même vitesse et pression croissante pour atteindre une pression optimale cible correspondant à la meilleure efficacité ; - désactiver le compresseur électrifié après que la pression optimale cible ait été atteinte. Cela permet de maintenir le fonctionnement dans la zone de meilleure efficacité du compresseur électrifié. L’invention concerne en outre un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de commande selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur Un autre objet de l’invention concerne une architecture de pile à combustible pour la mise en œuvre d’un procédé de commande selon l’invention, l’architecture de pile à combustible comprenant : - un compresseur électrifié recevant de l’air ambiant, couplé à un premier contrôleur ; - un réservoir d’air en communication fluidique en aval du compresseur électrifié ; - plusieurs systèmes de piles à combustible couplés à un deuxième contrôleur, étant en communication fluidique en aval du réservoir d’air, chacun comprenant un humidificateur, un refroidisseur et un empilement de piles à combustible ; - une sortie d’air équipée d’une soupape de pression, en communication fluidique en aval de chaque système de pile à combustible, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : - une soupape réductrice de pression en communication fluidique en aval du réservoir d’air et en amont de chaque système de piles à combustible, couplée à un troisième contrôleur. Cela permet de contrôler la réduction de pression disponible pour les piles à combustible. L'invention sera davantage détaillée par la description non limitative de variantes, et sur la base des figures annexées, dans lesquelles : - illustre schématiquement un système de piles à combustible à empilements convenant à l’invention ; - illustre schématiquement un système de piles à combustible empilées dans une architecture selon l’art antérieur ; - illustre schématiquement un système de piles à combustible empilées dans une architecture selon l’invention ; - illustre schématiquement le procédé de commande selon l’invention ; - illustre schématiquement une calibration de l’efficacité d’un compresseur électrifié convenant à l’invention ; et - illustre schématiquement un procédé de commande selon une variante préférée de l’invention. L'invention concerne un procédé de commande, autrement dit de contrôle, d’un système de piles à combustible à empilements FS, ledit procédé étant présenté en référence aux figures 4, 5 et 6. L’invention est applicable à un système de piles à combustible à empilements FS tel qu’illustré en et . Le système de piles à combustible illustré selon la comprend trois empilements FS, mais ce système de piles à combustible peut comprendre n’importe quel nombre d’empilements FS supérieur ou égal à 2. Le but de la commande et du procédé de commande est de gérer le chargement/déchargement d’un réservoir d'air AT du système afin que des débits et des pressions d'air appropriés puissent être fournis aux piles FS et maintenir le compresseur électrifié eC dans une bonne zone d'efficacité. A cet effet, des demandes RI de débit d'air et de pression des piles sont déterminées en fonction des demandes de puissance des piles à combustible FS, dans une première étape de détermination E1 illustrée en . Un point de consigne de pression minimum pour le réservoir d'air AT est ensuite calculé sur la base des demandes de pression des piles dans une deuxième étape de détermination E2 (par exemple, il peut s'agir du maximum de toutes les pressions de pile individuelles plus une marge). D'autre part, les points de fonctionnement optimaux (pression par rapport aux débits d'air) du compresseur électrifié eC sont censés être connus ou calibrés. Une pression de travail peut être définie pour le réservoir d'air AT comme étant le maximum de : - la consigne de pression minimale ; et - la pression optimale par rapport au débit d'air. A cet effet, la pression du réservoir est mesurée dans une étape de mesure E3. En cas de faible charge des piles (faible débit d'air demandé), la consigne de pression du réservoir d'air AT est la pression du meilleur point d'efficacité du compresseur électrifié eC ; et la consigne de vitesse du compresseur électrifié eC est la vitesse au meilleur point d'efficacité. Le compresseur électrifié eC est alors activé dans une étape de commande E4, (avec un débit d'air supérieur à ce que les piles FS consommeront) jusqu'à ce que le réservoir d'air AT atteigne la pression cible. Plus précisément, en référence à la calibration en , dans une étape 1, le compresseur électrifié eC est activé avec une limitation du débit d'air pour maximiser l'efficacité du compresseur. Ensuite, dans une étape 2, le compresseur électrifié eC est activé à la même vitesse (aussi appelé « iso-régime ») et pression croissante pour atteindre une pression optimale cible correspondant à la meilleure efficacité du compresseur électrifié eC. Ensuite, dans une étape 3, le compresseur électrifié eC est désactivé après que la pression optimale cible ait été atteinte, et le cycle recommence à l’étape 1. La pression du réservoir d'air AT diminue ensuite en raison du débit d'air fourni aux piles à combustible FS. Le compresseur électrifié eC est réactivé lorsque la pression du réservoir AT atteint une valeur basse. (La trajectoire peut être vue sur la ). Dans la , le cycle du bas avec les étapes 1, 2, 3 représente l’optimisation de l’efficacité OE du compresseur électrifié eC ; le cycle du haut avec les étapes 1, 2, 3, la demande RI des empilements (correspondant à une basse efficacité BFS) ; la courbe centrale, la ligne de meilleure efficacité BE ; la courbe légèrement à droite, une demande de débit d’air maximal DA pour atteindre une meilleure efficacité. Dans le cas où le débit d'air demandé RI par les piles FS est supérieur au débit d'air au meilleur rendement du compresseur eC, le point de consigne de pression pour le réservoir d'air AT est pris sur la ligne de meilleur rendement du compresseur électrifié eC au débit d'air souhaité. La vitesse du compresseur électrifié eC est alors la vitesse sur la meilleure ligne d'efficacité au débit d'air demandé. Comme expliqué plus haut, le compresseur électrifié eC fonctionne ensuite par intermittence pour maintenir le réservoir d'air AT entre un niveau de basse pression et le point de consigne de pression du réservoir d'air AT. Le compresseur électrifié eC est contrôlé par la cible de vitesse en boucle ouverte. Procédé de commande d’un compresseur électrifié (eC) dans une architecture de pile à combustible comprenant : - le compresseur électrifié (eC) recevant de l’air ambiant (AA), couplé à un premier contrôleur (C1) ; - un réservoir d’air (AT) en communication fluidique en aval du compresseur électrifié (eC) ; - plusieurs systèmes de piles à combustible couplés à un deuxième contrôleur (C2), étant en communication fluidique en aval du réservoir d’air (AT), chaque système de piles à combustible comprenant un humidificateur (H), un refroidisseur (R) et un empilement de piles à combustible (FS) ; - une sortie d’air équipée d’une soupape de pression (PV), en communication fluidique en aval de chaque système de pile à combustible, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : - une première étape de détermination (E1) d’une demande de débit d’air et de pression des piles à combustible (FS) ; - une deuxième étape de détermination (E2) d’un point de consigne de pression minimum et d’un point de consigne de vitesse de compresseur électrifié (eC) en fonction de la demande de débit d’air et de pression ; - une étape de mesure (E3) de la pression du réservoir d’air (AT) ; et - une étape de commande (E4) du compresseur électrifié (eC) sur la base du point de consigne de compresseur pour que la pression du réservoir d’air (AT) atteigne le point de consigne de pression. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la demande de débit d'air et de pression des piles à combustible (FS) est déterminée en fonction des demandes de puissance des piles à combustible (FS). Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le point de consigne de pression minimum et le point de consigne de vitesse de compresseur électrifié (eC), sont déterminés par des paramètres du compresseur en fonction du débit et de la pression avec des courbes de même vitesse. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape de commande (E4) du compresseur électrifié (eC) comprend les sous-étapes suivantes : - activer le compresseur électrifié (eC) avec une limitation du débit d'air pour maximiser l'efficacité du compresseur ; - activer le compresseur électrifié (eC) à la même vitesse et pression croissante pour atteindre une pression optimale cible correspondant à la meilleure efficacité ; - désactiver le compresseur électrifié (eC) après que la pression optimale cible ait été atteinte. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. Architecture de pile à combustible pour la mise en œuvre d’un procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 4, l’architecture de pile à combustible comprenant : - un compresseur électrifié (eC) recevant de l’air ambiant (AA), couplé à un premier contrôleur (C1) ; - un réservoir d’air (AT) en communication fluidique en aval du compresseur électrifié (eC) ; - plusieurs systèmes de piles à combustible couplés à un deuxième contrôleur (C2), étant en communication fluidique en aval du réservoir d’air (AT), chacun comprenant un humidificateur (H), un refroidisseur (R) et un empilement de piles à combustible (FS) ; - une sortie d’air équipée d’une soupape de pression (PV), en communication fluidique en aval de chaque système de pile à combustible, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : - une soupape réductrice de pression (RV) en communication fluidique en aval du réservoir d’air (AT) et en amont de chaque système de piles à combustible, couplée à un troisième contrôleur (C3).