FR2832550A1 - Procede et dispositif de gestion energetique de trajets courts d'un vehicule a pile a combustible - Google Patents

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Abstract

Dispositif de pile à combustible pour moteur électrique de véhicule, équipé d'un dispositif reformeur 10 et d'une source auxiliaire de puissance comprenant un accumulateur d'énergie 15, 6, le reformeur comprenant un moyen de chauffage 17, une unité de commande électronique 19 pilotant le fonctionnement du dispositif, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen de détection de la température du reformeur, un moyen de détection de l'état de charge de l'accumulateur d'énergie et une interface de communication 22 avec l'unité de commande électronique, capable, au démarrage du véhicule, d'activer ou d'inhiber la mise en marche du moyen de chauffage 17 du reformeur en fonction de la température détectée du reformeur et de l'état de charge détecté de l'accumulateur d'énergie 15, 6.

Description

<Desc/Clms Page number 1>
Procédé et dispositif de gestion énergétique de trajets courts d'un véhicule à pile à combustible.
Figure img00010001
La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant la gestion énergétique des trajets courts d'un véhicule à pile à combustible équipé d'un dispositif reformeur et d'une source auxiliaire de puissance.
On connaît les piles à combustible qui sont des générateurs électrochimiques alimentés en hydrogène et en oxygène provenant de l'air ambiant. L'utilisation d'une telle pile à combustible dans un véhicule automobile permet d'alimenter un moteur électrique de traction du véhicule. On peut espérer parvenir prochainement à l'obtention d'une autonomie comparable à celle d'un véhicule automobile conventionnel comportant un moteur à combustion interne tout en réduisant de façon importante les émissions de dioxyde de carbone ainsi que de gaz polluants et de particules.
L'hydrogène alimentant la pile à combustible peut être stocké à bord du véhicule dans un réservoir approprié ou encore être produit à bord du véhicule au moyen d'un reformeur, lui-même alimenté en carburant, par exemple en méthanol, en essence, etc. La génération de l'hydrogène par un reformeur nécessite au préalable de porter le reformeur à sa température de fonctionnement. Cette température est de l'ordre de 300 C pour le reformage du méthanol et de 8000C pour le reformage de l'essence. Le reformeur commence à produire de l'hydrogène une fois qu'il a atteint sa température de fonctionnement. Il peut dans ce cas être thermiquement autonome, c'est-à-dire ne pas nécessiter d'apport thermique externe.
La mise en température du reformeur absorbe une quantité significative d'énergie qui peut être de plusieurs mégajoules. Dans le cas d'un trajet de courte durée du véhicule, le réchauffage du reformeur à partir de la température ambiante jusqu'à sa température de fonctionnement entraîne une augmentation importante de la consommation globale du véhicule rapportée à la distance parcourue.
<Desc/Clms Page number 2>
Une telle situation peut se présenter en particulier dans le cas d'un véhicule principalement destiné à un usage urbain.
On connaît différents dispositifs de gestion d'énergie de pile à combustible permettant une optimisation de la consommation d'énergie grâce à l'association d'une pile à combustible avec une source auxiliaire de puissance. Des exemples de réalisation de ce type sont décrits dans les brevets US 5 929 594, US 5 808 448, US 5 964 309, US 5 631 532 et US 5 898 282.
Aucun des dispositifs décrits dans ces documents ne prévoit cependant d'utiliser la source auxiliaire de puissance d'une façon telle que l'énergie nécessaire à la mise en service du reformeur, quand sa température est inférieure à la température de fonctionnement, soit prise en compte.
La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de gestion énergétique d'une pile à combustible équipée d'un reformeur permettant une diminution globale de la consommation du véhicule, en particulier pour des trajets courts et prenant en compte l'énergie nécessaire à la mise en température du reformeur au démarrage du véhicule.
L'invention a également pour objet un tel procédé et dispositif qui permettent à l'utilisateur du véhicule de garder la maîtrise du fonctionnement du dispositif.
Le procédé de l'invention permet la gestion énergétique des trajets courts d'un véhicule automobile à pile à combustible équipé d'un dispositif reformeur et d'une source auxiliaire de puissance comprenant un accumulateur d'énergie. Au démarrage du véhicule, on n'active pas le reformeur tant que sa température reste au dessous d'un seuil prédéterminé et on utilise la source auxiliaire de puissance pour entraîner le véhicule. De cette manière, les pertes excessives d'énergie pour la mise en température du reformeur lors d'un tel trajet de courte durée se trouvent évitées.
De préférence, on active néanmoins le reformeur si l'état de charge de la source auxiliaire de puissance est inférieur à un seuil prédéterminé de façon à assurer le fonctionnement du véhicule malgré l'insuffisance temporaire de la source auxiliaire de puissance.
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On peut également procéder au réchauffage du reformeur lorsque la température de celui-ci, tout en étant inférieure au seuil précité, reste néanmoins supérieure à un deuxième seuil prédéterminé.
Dans ce cas en effet, on estime que ce réchauffage ne consomme que peu d'énergie.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de pile à combustible pour moteur électrique de véhicule selon l'invention est équipé d'un dispositif reformeur et d'une source auxiliaire de puissance comprenant un accumulateur d'énergie. Le reformeur comprend un moyen de chauffage. Une unité de commande électronique pilote le fonctionnement du dispositif. Le dispositif comprend en outre un moyen de détection de la température du reformeur, un moyen de détection de l'état de charge de l'accumulateur d'énergie et une interface de communication avec l'unité de commande électronique, capable, au démarrage du véhicule, d'activer ou d'inhiber la mise en marche du moyen de chauffage du reformeur en fonction de la température détectée du reformeur et de l'état de charge détecté de l'accumulateur d'énergie.
L'interface de communication peut comprendre par exemple un organe à actionnement manuel, à deux états stables, tel qu'un bouton-poussoir.
L'accumulateur d'énergie peut être un réservoir d'hydrogène capable d'alimenter la pile à combustible et relié au reformeur pour être rechargé par celui-ci lors de son fonctionnement.
Dans un autre mode de réalisation, l'accumulateur d'énergie est une batterie électrique capable d'alimenter le moteur du véhicule.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et décrits en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique des principaux éléments d'un dispositif selon l'invention ;
Figure img00030001

- la figure 2 est un schéma de fonctionnement du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 illustre une variante du dispositif selon l'invention ; et
<Desc/Clms Page number 4>
- la figure 4 est une vue schématique du fonctionnement du dispositif de la figure 3.
Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le dispositif de l'invention comprend une pile à combustible 1 reliée par une liaison électrique 2 à un dispositif onduleur 3 alimentant un moteur électrique 4 dont l'arbre de sortie 5 est relié à la transmission du véhicule automobile. Une batterie 6 est en outre branchée par la liaison 7 en amont de l'onduleur 3 pour pallier à tout défaut de fonctionnement de la pile à combustible 1.
La pile 1 est alimentée en air 8 par un compresseur 9. Un dispositif reformeur 10 est alimenté en carburant par la conduite 11 provenant d'un réservoir de carburant 12. Le carburant peut être de l'essence ou du méthanol ou tout autre carburant approprié.
Le reformeur 10 est capable de produire de l'hydrogène qui vient alimenter la pile à combustible 1 par la conduite 13. Une conduite supplémentaire 14 relie le reformeur 10 à un réservoir 15 servant d'accumulateur d'hydrogène et pouvant être relié à l'entrée de la pile à combustible 1 par la conduite 16. Un dispositif de chauffage 17 du reformeur 10 est intégré dans ce dernier. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le dispositif de chauffage 17 est un brûleur alimenté par la conduite 18 en carburant provenant du réservoir 12.
Une unité de commande électronique (UCE) 19 gère l'ensemble du dispositif. L'UCE 19 reçoit un signal d'information par la liaison 20 en provenance du dispositif de contact 21 de mise en route du véhicule. Un autre signal provenant d'une interface de communication 22 est reçu par l'UCE 19 par l'intermédiaire de la liaison 23. L'interface de communication 22 permet au conducteur d'agir sur l'ensemble du dispositif pour décider si oui ou non la gestion des trajets courts du véhicule doit être assurée par le dispositif de l'invention. Ainsi, le conducteur garde la maîtrise du fonctionnement du dispositif. L'interface 22 peut par exemple être réalisée sous la forme d'un simple bouton-poussoir à deux états stables.
L'UCE 19 reçoit encore une information concernant l'état de charge du réservoir d'hydrogène 15, cet état étant détecté par un
<Desc/Clms Page number 5>
capteur non représenté sur la figure qui fournit à l'UCE 19 un signal par la liaison 24. Enfin, l'UCE 19 reçoit une information sur la température du reformeur 10, provenant d'un capteur non représenté sur la figure et capable d'émettre un signal par la liaison 25.
L'UCE 19 est capable d'émettre un signal par la liaison 26 pour activer le chauffage du reformeur 10 par mise en route du brûleur 17.
Le fonctionnement du dispositif illustré sur la figure 1 résulte du schéma fonctionnel de la figure 2, où les différentes étapes sont chaque fois référencées par un chiffre entouré d'un cercle, et sont scrutées en permanence par l'unité de commande électronique. La logique de fonctionnement se déroule de la manière suivante : Etape 1 : L'UCE 19 reçoit un ordre de démarrage provenant du dispositif de contact 21. Dans ce cas, aller à l'étape 2. Sinon, revenir au départ.
Etape 2 : L'UCE 19 teste l'état de la commande manuelle à travers la variable logique"Autorise". La valeur 1 correspond à l'autorisation donnée par le conducteur du filtrage des trajets courts et la valeur 0 à son inhibition. Si la variable"Autorise"est à 1, aller à l'étape 3.
Sinon, revenir à l'étape 1.
Etape 3 : L'UCE 19 teste la température du reformeur 10 Tref. Si la température Tref est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé Tseuill, aller à l'étape 4. Dans le cas contraire, la température Tref est inférieure à Tseuill aller à l'étape 5.
Etape 4 : Dans ce cas, le reformeur 10 est en mesure de produire immédiatement de l'hydrogène, sa température étant suffisante pour un fonctionnement normal sans qu'il soit besoin de le préchauffer et d'actionner le brûleur 17. On se trouve donc dans le cas d'un fonctionnement normal de la pile à combustible 1. Aller à l'étape 1.
Etape 5 : L'UCE 19 teste la valeur de la température du reformeur Tref.
Si Tref est inférieure à la valeur de seuil Tseuill'mais supérieure ou égale à une deuxième valeur de seuil Tseuil2'aller à l'étape 6. Dans le cas contraire, si la température Tref est inférieure à la deuxième valeur de seuil Gui, aller à l'étape 7.
<Desc/Clms Page number 6>
Figure img00060001

Etape 6 : Dans ce cas, la température du reformeur Tref est proche de . f est proche de celle à laquelle il peut produire de l'hydrogène. L'énergie thermique qu'il est nécessaire d'apporter au reformeur pour atteindre la température optimale de production d'hydrogène étant faible, on procède à son réchauffage jusqu'à la température Tseuill. Ce réchauffage est effectué, dans l'exemple illustré sur la figure 1, au moyen du brûleur 17 intégré au reformeur 10 et alimenté en carburant par le réservoir 12. Dans une variante, on pourrait remplacer le brûleur 17 par des résistances électriques appropriées alimentées par la batterie 6. Pendant cette étape de réchauffage du reformeur 10, la pile à combustible 1 est alimentée en hydrogène par le réservoir d'hydrogène 15. Une fois que la température du reformeur 10 a atteint le seuil Tseuill : aller à l'étape 1.
Etape 7 : Dans ce cas, l'énergie thermique à apporter au reformeur 10 pour atteindre la température de production d'hydrogène est importante. Si le réchauffage du reformeur 10 n'est pas suivi d'un usage du véhicule suffisamment intensif en durée ou en puissance consommée, l'énergie absorbée par le réchauffage entraîne une augmentation inadmissible de la consommation globale du véhicule.
Selon l'invention, on ne procède donc pas au réchauffage du reformeur 10. On teste cependant l'état de charge de l'accumulateur d'hydrogène constitué par le réservoir 15. Si la variable représentative de cet état de charge"Echydrogène"est supérieure ou égale à un seuil prédéfini Cseuii, aller à l'étape 8, sinon retourner à l'étape 6 pour chauffer le reformeur 10 car l'accumulateur d'hydrogène 15 n'est pas suffisamment chargé pour alimenter la pile.
Etape 8 : Dans ce cas, l'accumulateur d'hydrogène constitué par le réservoir 15 est suffisamment chargé pour alimenter la pile à combustible en vue de générer la puissance électrique nécessaire au véhicule sur un trajet court. Selon l'invention, on alimente donc la pile à combustible 1 en hydrogène par l'accumulateur d'hydrogène 15 et le reformeur 10 n'est pas préchauffé ni mis en service. On retourne ensuite à l'étape 7.
<Desc/Clms Page number 7>
Grâce au fonctionnement du dispositif de l'invention qui vient d'être expliqué, il est possible de ne pas procéder au réchauffage du reformeur dans le cas des trajets courts. L'énergie électrique consommée par le véhicule durant de tels trajets courts est alors générée grâce à l'hydrogène contenu dans l'accumulateur 15. Il devient possible de réduire l'écart de chauffage du reformeur lors de la mise en route du véhicule et donc de réduire l'énergie consommée par ce chauffage. Le conducteur a également la possibilité, grâce à l'interface de communication 22, de décider, soit de"filtrer"ainsi les trajets courts comme il vient d'être dit, en réduisant la consommation du véhicule, soit d'inhiber au contraire le dispositif de l'invention.
Le mode de réalisation illustré sur la figure 3, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, se différencie du mode de réalisation illustré sur la figure 2 par l'utilisation comme source auxiliaire de puissance de la batterie de traction 6 du véhicule.
On retrouve dans ce mode de réalisation la pile à combustible 1 alimentée en air 8 par le compresseur 9 et fournissant de l'énergie électrique au moteur de traction 4. La pile à combustible 1 est alimentée en hydrogène par la conduite 13 provenant du reformeur 10, lui-même alimenté en carburant par le réservoir 12. On retrouve également le brûleur de réchauffage 17 intégré au reformeur 10.
L'unité de commande électronique 19"UCE"gère comme précédemment l'ensemble du dispositif et comprend la logique de fonctionnement. L'UCE 19 reçoit les mêmes informations que dans le mode de réalisation précédent en provenance de l'interface de communication 22 et du reformeur 10. De plus, l'UCE 19 reçoit une information par la liaison 24 sur l'état de charge de la batterie 6.
Le fonctionnement du mode de réalisation illustré sur la figure 3 est conforme au schéma fonctionnel de la figure 4, où l'on retrouve les mêmes étapes 1 à 8 que sur le schéma fonctionnel de la figure 2. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 3, le fonctionnement fait cependant intervenir à l'étape 7 un test de l'état de charge de la batterie 6. L'état de charge de la batterie 6 est testé par un capteur non représenté sur la figure 3, qui fournit un signal par la liaison 27 à l'UCE 19. Si la variable correspondant à l'état de charge
<Desc/Clms Page number 8>
de la batterie, soit"Echbatt", est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé Cseuil : aller à l'étape 8, sinon retourner à l'étape 6.
A l'étape 8, la batterie étant suffisamment chargée pour alimenter le véhicule sur un trajet court, le moteur électrique 4 est alimenté par la batterie de traction 6 et le reformeur 10 n'est pas mis en marche ni réchauffé par le brûleur 17.
Au contraire, à l'étape 6, on procède au réchauffage du reformeur jusqu'à ce que sa température atteigne la valeur de seuil de Tseuill'Pendant le réchauffage du reformeur 10, la batterie 6 alimente le moteur électrique 4 du véhicule. Lorsque la température du reformeur 10 a atteint la valeur de seuil Tseuill, la production d'hydrogène est pilotée par l'UCE 19 de façon à répondre aux besoins du véhicule et recharger la batterie 6 par l'intermédiaire de la pile à combustible 1.
Comme précédemment, le dispositif selon cette variante permet de ne pas procéder inutilement au réchauffage du reformeur 10 dans le cas d'un trajet court. L'énergie électrique consommée par le véhicule durant un tel trajet court est fournie par la batterie de traction 6. Il devient donc possible de réduire le nombre de cas où un réchauffage du reformeur 10 est nécessaire, diminuant ainsi notablement l'énergie consommée par ce chauffage.
L'invention permet ainsi de procéder à un"filtrage"des trajets courts du véhicule automobile et de réduire notablement sa consommation globale. Dans tous les cas, le conducteur reste maître du fonctionnement du dispositif dont il peut autoriser la mise en route ou au contraire qu'il peut inhiber.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1-Procédé de gestion énergétique de trajets courts d'un véhicule à pile à combustible équipé d'un dispositif reformeur et d'une source auxiliaire de puissance comprenant un accumulateur d'énergie caractérisé par le fait qu'au démarrage du véhicule, on n'active pas le reformeur tant que sa température reste au dessous d'un seuil prédéterminé et on utilise la source auxiliaire de puissance pour entraîner le véhicule.
2-Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'on active néanmoins le reformeur si l'état de charge de la source auxiliaire de puissance est inférieur à un seuil prédéterminé.
3-Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on procède au réchauffage du reformeur lorsque la température du reformeur est située entre le seuil précité et un deuxième seuil prédéterminé.
4-Dispositif de pile à combustible pour moteur électrique de véhicule, équipé d'un dispositif reformeur (10) et d'une source auxiliaire de puissance comprenant un accumulateur d'énergie (15,6), le reformeur comprenant un moyen de chauffage (17), une unité de commande électronique (19) pilotant le fonctionnement du dispositif, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen de détection de la température du reformeur, un moyen de détection de l'état de charge de l'accumulateur d'énergie et une interface de communication (22) avec l'unité de commande électronique, capable, au démarrage du véhicule, d'activer ou d'inhiber la mise en marche du moyen de chauffage (17) du reformeur en fonction de la température détectée du reformeur et de l'état de charge détecté de l'accumulateur d'énergie (15,6).
5-Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que l'interface de communication comprend un organe à actionnement manuel par l'utilisateur du véhicule, à deux états stables.
6-Dispositif selon les revendications 4 ou 5 caractérisé par le fait que l'accumulateur d'énergie est un réservoir d'hydrogène (15) capable d'alimenter la pile à combustible et relié au reformeur pour
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être rechargé par celui-ci lors de son fonctionnement.
7-Dispositif selon les revendications 4 ou 5 caractérisé par le fait que l'accumulateur d'énergie est une batterie électrique (6) capable d'alimenter le moteur du véhicule.
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