FR2901071A1

FR2901071A1 - Systeme et procede de production d'energie electrique pour vehicule automobile a moteur de traction electrique

Info

Publication number: FR2901071A1
Application number: FR0604079A
Authority: FR
Inventors: Farhi Keretly; Nicolas Favray
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-16

Abstract

Ce système de production d'énergie électrique pour véhicule automobile à moteur de traction électrique comprend un système pile à combustible (1) et une batterie rechargeable (2) assurant conjointement l'alimentation en énergie électrique du moteur, et un calculateur (7) comprenant des moyens de gestion de l'état de charge de la batterie.Les moyens de gestion comprennent des moyens pour provoquer une recharge de la batterie à l'arrêt du véhicule par mise en oeuvre de la pile à combustible.

Description

Système et procédé de production d'énergie électrique pour véhicule

automobile à moteur de traction électrique L'invention concerne la production d'énergie électrique pour véhicules automobiles et, plus particulièrement, la production d'énergie électrique destinée à des véhicules automobiles pourvus de batteries de traction. Afin de conférer une autonomie suffisante aux véhicules de ce type, ceux-ci sont généralement pourvus de batteries lourdes et encombrantes. Malgré les progrès technologiques effectués dans le domaine des batteries, l'autonomie relativement faible des véhicules, ainsi que l'encombrement des batteries demeure rédhibitoire. C'est la raison pour laquelle il a été proposé d'associer aux batteries un système de production d'énergie électrique basé sur l'utilisation d'un moteur thermique et d'un générateur d'énergie électrique afin d'augmenter l'autonomie du véhicule en permettant d'achever un trajet si l'état de charge de la batterie ne le permet plus. Toutefois, l'utilisation de ce mode de fonctionnement n'est préconisée qu'à titre exceptionnel étant donné que la mise en route du moteur thermique s'accompagne d'émissions polluantes et de gaz à effet de serre. Un autre inconvénient de cette technique est son rendement énergétique médiocre, la production d'électricité à partir d'un générateur entraîné par un moteur thermique s'accompagnant de pertes non négligeables.

Une autre solution consiste à produire de l'énergie électrique au moyen d'un système de pile à combustible embarqué. Les piles à combustible comportent classiquement une anode alimentée en combustible, en l'espèce de l'hydrogène, et une cathode alimentée en oxygène. Les réactions d'oxydo-réduction au sein de la pile permettent la production d'électricité. L'hydrogène est généralement produit au sein du système de pile à combustible par des réactions de reformage entretenues au sein d'un reformeur permettant de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un composé hydrocarboné ou d'un mélange de composé hydrocarboné et d'eau. L'hydrogène peut également être stocké dans un réservoir, le ravitaillement en hydrogène s'effectuant alors au niveau de points de distribution d'un réseau de distribution d'hydrogène pour automobiles. Mais un tel réseau est à ce jour inexistant de sorte que cette solution est généralement proscrite. Il a également été proposé de doter les véhicules automobiles électriques d'une pile à combustible de relativement faible puissance, par exemple de l'ordre de 10 kW associée à une batterie de traction de forte puissance, par exemple supérieure à 50 kW. Selon cette technique, la batterie est utilisée lorsque la puissance consommée est supérieure à la puissance de la pile. Mais si la puissance consommée par le véhicule dépasse de façon continue la puissance maximale de la pile, la batterie est amenée à se décharger de façon importante. Te] est en particulier le cas lorsque le véhicule circule à haute vitesse où dans des conditions de roulage périurbain. La consommation d'énergie à partir de la batterie devient plus importante lorsque la pile à combustible est associée à un reformeur embarqué. En effet, dans ce cas, le reformage nécessite tout d'abord, au démarrage du véhicule, l'élévation de la température des catalyseurs de production d'hydrogène entrant dans la constitution du reformeur. Une telle montée en température est relativement longue et peut durer plusieurs minutes. Dans cet intervalle, le moteur est alimenté à partir de la batterie de traction. Si les conditions de roulage et, en particulier, la puissance consommée est telle que la pile à combustible n'est pas en mesure de recharger la batterie, il se peut que la batterie se trouve fortement déchargée en fin de trajet, la puissance de la pile ne suffisant pas, dans ce cas, à répondre aux besoins du véhicule et à recharger simultanément la batterie. Dans le but d'éviter au conducteur de se trouver dans une situation dans laquelle la batterie est fortement déchargée en fin de trajet, il est nécessaire d'augmenter la capacité de stockage de la batterie, et donc d'augmenter son coût et son encombrement. Il convient donc plutôt de prévoir des recharges plus fréquentes de la batterie au lieu d'augmenter sa capacité de stockage. Il existe déjà, dans l'état de la technique, des systèmes permettant de provoquer une recharge d'une batterie associée à une pile à combustible. On pourra à cet égard se référer au document JP 2004/22 78 32 ou au document DE 19 73 1250. Mais les techniques préconisées ne permettent pas de s'assurer que la batterie présente un niveau de charge suffisant à l'arrêt du véhicule pour permettre un nouveau démarrage alors que la température de la pile à combustible, et en particulier du reformeur, ne permet pas d'alimenter le moteur de traction électrique à partir de l'énergie fournie par la pile à combustible. Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients des systèmes de production d'énergie électrique pour véhicule automobile de l'état de la technique. Plus particulièrement, le but de l'invention est de fournir un système de production d'énergie électrique comprenant une pile à combustible de faible puissance couplée à une batterie de traction de relativement faible capacité et donc de volume, de coût et de poids réduits. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un système de production d'énergie électrique pour véhicule automobile à moteur de traction électrique, comprenant une pile à combustible et une batterie rechargeable assurant conjointement l'alimentation en énergie électrique du moteur, et un calculateur comprenant des moyens de gestion de l'état de charge de la batterie. Selon une caractéristique générale de ce système de production, les moyens de gestion comprennent des moyens pour provoquer une recharge de la batterie à l'arrêt du véhicule par mise en oeuvre de la pile à combustible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système comporte des moyens de mesure de la charge de la batterie à l'arrêt du véhicule et des moyens de comparaison de la charge avec un ensemble de valeurs de seuil de charge pour provoquer la recharge de la batterie en fonction du résultat de ladite comparaison. Dans un mode de réalisation, le calculateur comporte des moyens pour comparer l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule avec une première valeur de seuil correspondant à la somme du niveau de charge nécessaire pour alimenter le véhicule en énergie électrique, d'une réserve de charge consommable et d'un niveau de charge minimum à conserver dans la batterie, pour provoquer la charge de ladite batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite valeur de seuil. Dans un autre mode de réalisation, le calculateur comporte des moyens pour comparer l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule avec une deuxième valeur de seuil correspondant à la somme du niveau de charge minimum à conserver dans la batterie et d'une réserve de charge consommable pour provoquer la charge de ladite batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite deuxième valeur de seuil. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système comporte des moyens de mesure de la température de la pile à combustible, les moyens de gestion de l'état de charge de la batterie comprenant des moyens pour gérer la charge de la batterie en fonction de la température de la pile à combustible. Dans un mode de réalisation particulier, le système comporte en outre des moyens de mesure du niveau de carburant disponible dans un réservoir de carburant du véhicule, les moyens de gestion de l'état de charge de la batterie comprenant des moyens pour gérer la charge de la batterie en fonction du niveau de carburant. Selon un deuxième aspect, l'invention a également pour objet un procédé de production d'énergie électrique pour véhicule automobile à moteur de traction électrique, comprenant les étapes de : - alimentation du véhicule à partir d'une pile à combustible et d'une batterie rechargeable en fonction de la puissance consommée, et - gestion de la charge de la batterie par contrôle de l'état de charge et la recharge de la batterie à partir de l'énergie délivrée par la pile à combustible, caractérisée en ce que l'on contrôle l'état de charge et l'on recharge la batterie à l'arrêt du véhicule. Dans un mode de mise en oeuvre, on mesure l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule, on compare le niveau de charge mesuré avec une première valeur de seuil correspondant à la somme du niveau de charge nécessaire pour alimenter le véhicule, d'une réserve de charge consommable et d'un niveau de charge minimum à conserver dans la batterie, et l'on recharge la batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite première valeur de seuil. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on mesure l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule, et l'on compare le niveau de charge mesuré avec une deuxième valeur de seuil correspondant à la somme du niveau de charge minimum à conserver dans la batterie, et d'une réserve de charge consommable et l'on recharge la batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite deuxième valeur de seuil.

Selon un mode de mise en oeuvre particulier, on mesure la température de la pile à combustible et l'on recharge la batterie si la température est inférieure à une valeur de seuil. Par exemple, la valeur de seuil est la température d'amorçage du reformeur du système pile à combustible.

Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, on mesure le niveau de carburant disponible dans un réservoir de carburant du véhicule et l'on interrompt la charge de la batterie si le niveau de carburant mesuré est inférieur à une valeur de seuil. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence à la figure annexée qui illustre un schéma synoptique général d'un système de production d'énergie électrique conforme à l'invention.

Sur la figure annexée, on a représenté l'architecture générale d'un système de production d'énergie électrique conforme à l'invention. Ce système est destiné à l'alimentation d'un moteur de traction M d'un véhicule automobile électrique, mais également de l'ensemble des équipements ou auxiliaires électriques du véhicule. Le système de production d'énergie électrique comporte essentiellement un système pile à combustible 1 constitué principalement d'une pile à combustible et d'un reformeur, ainsi qu'une batterie de traction 2 qui assurent conjointement l'alimentation du moteur de traction M en énergie électrique. Grâce à la présence de la batterie de traction, la pile à combustible 1 peut être de puissance réduite, par exemple de l'ordre de 10 kW, la batterie de traction 2 étant utilisée pour fournir une puissance additionnelle au moteur lorsque la puissance consommée est supérieure à la puissance maximale de la pile, ce qui est notamment le cas durant les accélérations ou lors de roulage du véhicule à vitesse relativement élevée, c'est-àdire à des vitesses supérieures à 80 ou 90 km/heure. L'énergie délivrée par la pile à combustible ou par la batterie de traction 2 est fournie par un convertisseur DC/DC de traction, respectivement 3 et 4. Toutefois, en fonction de l'architecture retenue, il est possible soit d'utiliser un unique convertisseur DC/DC, raccordé soit aux bornes de la pile à combustible 1, soit aux bornes de la batterie 2.

Enfin, comme cela est connu en soi, le système comporte également une batterie 5 d'alimentation de 12 volts qui est utilisée pour alimenter des équipements auxiliaires du véhicule. Ces auxiliaires sont alimentés en fonctionnement normal par la pile à combustible 1 par l'intermédiaire d'un convertisseur 6 DC/DC de 12 volts. La batterie 5 d'alimentation 12 volts ne fournit de la puissance que momentanément, quand la puissance consommée par les auxiliaires dépasse celle que le convertisseur 6 peut fournir. Enfin, le système représenté est complété par un calculateur 7, également embarqué à bord du véhicule automobile pour assurer l'alimentation du moteur M soit à partir du système de pile à combustible 1, soit à partir du système de pile à combustible et de la batterie de traction 2, ou encore soit uniquement à partir de la batterie de traction 2, en fonction des conditions de roulage du véhicule et de la puissance disponible de la pile. En particulier, le calculateur 7 de bord provoque l'alimentation du moteur M à partir de la batterie de traction seule en début de roulage du véhicule, lorsque la température du reformeur embarqué est insuffisante pour permettre aux catalyseurs de production d'hydrogène de fournir l'hydrogène nécessaire à la pile à combustible. Il provoque l'alimentation du moteur à partir du système de pile à combustible seule, lorsque la puissance demandée par le moteur est inférieure à la puissance maximale de la pile. Il provoque enfin l'alimentation du moteur M à partir de la pile à combustible 1 et de la batterie de traction 2 lorsque la puissance demandée par le moteur est supérieure à la puissance maximale de la pile. La pile à combustible alimente le moteur M en énergie électrique générée par des réactions d'oxydo-réduction entre un combustible, délivré à l'anode de la pile, en l'espèce de l'hydrogène, et de l'air fourni à la cathode de la pile. Dans l'exemple de réalisation envisagée, l'hydrogène est produit au sein de la pile à combustible au moyen d'un reformeur embarqué, à partir d'un composé hydrocarboné, ou d'un mélange de composé hydrocarboné, en l'espèce un carburant, d'air et d'eau. Le calculateur 7 est également dûment programmé pour assurer une gestion de l'état de charge de la batterie afin, en particulier, de maintenir un niveau de charge suffisant, en particulier en fin de trajet. Mais il assure également une gestion de la charge de la batterie à partir de la pile à combustible lors du fonctionnement normal du véhicule. En d'autres termes, lorsque la puissance consommée par le moteur est inférieure à la puissance de la pile 1, l'énergie disponible da la pile est utilisée pour recharger la batterie de traction 2.

Pour ce faire, le système est pourvu de moyens de mesure du niveau de charge de la batterie. Ces moyens de mesure sont des moyens de type conventionnel. Ils ne seront donc pas décrits en détail par la suite. On notera cependant qu'ils sont adaptés pour acquérir une valeur du niveau de charge de la batterie et la transmettre au calculateur 7. Conformément à une caractéristique de l'invention, ces moyens de mesure sont activés à l'arrêt du véhicule, c'est-à-dire lorsque le moteur est stoppé et le véhicule verrouillé. Lorsque le niveau de charge est insuffisant, le calculateur 7 maintient la pile à combustible en fonctionnement afin de recharger la batterie de traction 2. On s'assure ainsi que la batterie est suffisamment chargée lorsque le véhicule est à nouveau démarré. Selon l'invention, le calculateur surveille le dépassement de quatre seuils de charge, à savoir des seuils S1, S2, S3 et S4, tels que : S4 < S3 < S2<S1. Le seuil S1 correspond à l'état de charge maximal d'exploitation de la batterie, tandis que le seuil S4 correspond à l'état de charge minimal d'exploitation de la batterie qui ne doit, en aucun cas, être franchi. Le seuil S3 est obtenu en ajoutant au seuil minimal S4 une réserve de charge consommable à n'utiliser qu'exceptionnellement en réduisant alors les performances de vitesse et d'accélération du véhicule. Si l'état de charge se trouve entre le seuil S4 et le seuil S3, il faudra recharger la batterie dès que possible de manière à atteindre au moins le seuil S3. Le seuil S2 est obtenu en ajoutant au seuil S3 la charge nécessaire pour alimenter le véhicule et les auxiliaires du système de pile à combustible pendant le démarrage de ce dernier.

Ce système fonctionne donc de la façon suivante. A la coupure du contact, le calculateur 7 vérifie l'état de charge de la batterie. Si cet état de charge est inférieur au seuil S2, le calculateur 7 pilote la pile à combustible 1 de façon à générer la puissance nécessaire à la recharge de la batterie, même si le conducteur a quitté le véhicule et que le véhicule est verrouillé. Dès que l'état de charge a atteint le seuil S2, ce qui correspond à une charge suffisante pour alimenter le véhicule et les auxiliaires du système de pile à combustible pendant le démarrage du système pile à combustible, le calculateur 7 arrête la pile à combustible. On notera que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. En effet, dans l'exemple de réalisation envisagée, la batterie de traction est rechargée dès que le niveau de charge est inférieur au seuil S2 afin de s'assurer que la charge de la batterie est suffisante pour alimenter le véhicule et les auxiliaires de la pile à combustible au démarrage du véhicule. Il est également possible, en variante, de ne recharger systématiquement la batterie que si l'état de charge est inférieur au seuil S3, signifiant que la réserve de charge consommable a été consommée. Dans ce cas, on peut prévoir de ne recharger la batterie si l'état de charge est compris entre les seuils S2 et S3 que si, après arrêt et verrouillage du véhicule, la température du reformeur est inférieure à une valeur de seuil prédéterminée. Cette variante permet d'éviter de recharger la batterie alors que l'arrêt du véhicule est de courte durée et donc que la température du reformeur lui permet de redémarrer très rapidement. Par exemple, la valeur de seuil à laquelle est comparée la température du reformeur correspond à la température d'amorçage du reformeur. En d'autres termes, à cette température, le reformeur est en mesure d'alimenter en hydrogène, mais avec un rendement moindre que s'il était à sa température nominale de fonctionnement. En d'autres termes, selon cette variante, on ne recharge pas la batterie de traction si le niveau de charge est supérieur au seuil S3 et si la température du reformeur est telle que la pile à combustible est en mesure de fournir de l'énergie électrique. Par ailleurs, la recharge de la batterie peut être effectuée à une puissance qui correspond au rendement optimum de la pile à combustible. Elle peut également être effectuée à une puissance qui correspond au rendement optimum de charge de la batterie. La recharge de la batterie peut encore être réalisée à une puissance qui permet d'obtenir la valeur la plus élevée pour le produit du rendement de la pile à combustible avec le rendement de charge de la batterie. On notera enfin que, dans un mode de réalisation, on surveille le volume de carburant contenu dans le réservoir 9 du véhicule. Si ce volume devient en dessous d'une valeur de seuil prédéterminée, la recharge de la batterie est interrompue de façon à conserver une autonomie plus importante au démarrage du véhicule afin de pouvoir rouler jusqu'à une station-service de ravitaillement. Cette façon de procéder privilégie alors la puissance directement fournie par la pile à combustible, ce qui réduit les pertes inhérentes à la batterie. Dans ce cas, les performances de vitesse et d'accélération du véhicule peuvent être bridées pour prendre en compte l'état de charge insuffisant de la batterie.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de production d'énergie électrique pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible (1) et une batterie rechargeable (2) assurant conjointement l'alimentation en énergie électrique du moteur (M), et un calculateur (7) comprenant des moyens de gestion de l'état de charge de la batterie, caractérisé en ce que les moyens de gestion comprennent des moyens pour provoquer une recharge de la batterie à l'arrêt du véhicule par mise en oeuvre de la pile à combustible.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la charge de la batterie à l'arrêt du véhicule et des moyens (7) de comparaison de la charge avec un ensemble de valeurs de seuil de charge pour provoquer la recharge de la batterie en fonction du résultat de ladite comparaison.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur comporte des moyens (7) pour comparer l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule avec une première valeur de seuil correspondant à la somme du niveau de charge nécessaire pour alimenter le véhicule en énergie électrique, d'une réserve de charge consommable et d'un niveau de charge minimum à conserver dans la batterie, pour provoquer la charge de ladite batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite valeur de seuil.

4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur comporte des moyens (7) pour comparer l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule avec une deuxième valeur de seuil correspondant à la somme du niveau de charge minimum à conserver dans la batterie et d'une réserve de charge pour provoquer la charge de ladite batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite deuxième valeur de seuil.

5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la température de la pile à combustible, les moyens (7) de gestion de l'état de charge de la batterie comprenant des moyens pour gérer lacharge de 1a batterie en fonction de la température du reformeur du système pile à combustible.

6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure du niveau de carburant disponible dans un réservoir (9) de carburant du véhicule, les moyens de gestion de l'état de charge de la batterie comprenant des moyens pour gérer la charge de la batterie en fonction du niveau de carburant.

7. Procédé de production d'énergie électrique pour véhicule automobile à moteur de traction électrique, comprenant les étapes d'alimentation du véhicule à partir d'une pile à combustible (1) et d'une batterie rechargeable (2) en fonction de la puissance consommée, et de gestion de la charge de la batterie par contrôle de l'état de charge et recharge de la batterie à partir de l'énergie délivrée par la pile à combustible, caractérisé en ce que l'on contrôle l'état de charge et l'on recharge la batterie à l'arrêt du véhicule.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on mesure l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule, on compare le niveau de charge mesuré avec une première valeur de seuil (S2) correspondant à la somme du niveau de charge nécessaire pour alimenter le véhicule, d'une réserve de charge consommable et d'un niveau de charge minimum à conserver dans la batterie, et l'on recharge la batterie tant que la charge est inférieure à ladite valeur de seuil (S2).

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on mesure l'état de charge de la batterie à l'arrêt du véhicule, on compare le niveau de charge mesuré avec une deuxième valeur de seuil (S3) correspondant à la somme du niveau de charge minimum à conserver dans la batterie et d'une réserve de charge consommable, et l'on recharge la batterie tant que le niveau de charge est inférieur à ladite deuxième valeur de seuil (S3).

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'on mesure la température du reformeur du systèmepile à combustible et l'on recharge la batterie si la température est inférieure à une valeur de seuil.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la valeur de seuil est la température d'amorçage du reformeur du système 5 pile à combustible.