FR3033836A1 - Systeme de production d'energie ou de couple - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système de production d'énergie ou de couple (100) comprenant : - un générateur configuré pour générer une énergie ou un couple à partir d'un gaz introduit à une admission du générateur ; - au moins deux compresseurs (101, 102) du gaz à l'admission du générateur ; - un système de canalisation (103) dans lequel les canalisations (101a, 102a, 101b, 102b, Ce, Cs) sont configurées pour être ouvertes ou fermées afin de mettre sélectivement lesdits compresseurs (101, 102) en série ou en parallèle.

Description

1 SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE OU DE COUPLE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système de production d'énergie ou de couple.
En particulier, l'invention concerne un système de production de couple comprenant un moteur à combustion et un système de production d'énergie comprenant une pile à combustible. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Dans un objectif de diminution des gaz polluants émis par les véhicules, l'utilisation d'une pile à combustible est considérée comme une solution envisageable. Typiquement, la pile à combustible fournit de l'électricité à partir de réactifs tels que l'air et l'hydrogène. Cette production d'électricité est avantageuse en termes de pollution car elle n'émet que de la vapeur d'eau. L'électricité produite alimente le véhicule en énergie disponible pour un entrainement du véhicule ou une alimentation de ses composants.
Une augmentation de la pression des réactifs, en particulier de l'air fourni à la pile à combustible, grâce à un compresseur, permet d'améliorer le rendement de la pile à combustible. Cependant, l'utilisation d'un compresseur est couteuse en énergie. D'autre part, il est connu d'utiliser un compresseur de suralimentation à l'admission d'air d'un moteur à combustion pour conserver les performances du moteur tout en diminuant sa cylindrée (« downsizing » selon la terminologie anglaise). Comme pour la pile à combustible, l'utilisation d'un compresseur est couteuse en énergie. Il est donc recherché une solution pour diminuer le cout lié à l'utilisation d'une compression de gaz à l'admission d'un système de génération d'énergie ou de couple tel qu'un système comprenant un moteur à combustion ou un système comprenant une pile à combustible. RÉSUMÉ DE L'INVENTION L'invention consiste en un système de production d'énergie ou de couple comprenant : - un générateur configuré pour générer une énergie ou un couple à partir d'un gaz introduit à une admission du générateur ; - au moins deux compresseurs du gaz à l'admission du générateur ; - un système de canalisation dans lequel les canalisations sont configurées pour être ouvertes ou fermées afin de mettre sélectivement lesdits compresseurs en série ou en parallèle.
En particulier, le système de production est embarqué dans un véhicule, le générateur étant configuré pour générer un couple pour l'entrainement du véhicule, ou 3033836 2 une énergie électrique pour l'entrainement du véhicule et/ou l'alimentation de composants embarqués dans le véhicule. Le rendement d'un compresseur est fonction de ses conditions de fonctionnement telles que le rapport entre sa pression d'entrée et sa pression de sortie, son débit d'air, sa 5 vitesse de rotation. En utilisant deux compresseurs ou plus, chaque compresseur peut être utilisé dans sa zone de rendement la meilleure. Grâce au système de canalisation, les compresseurs peuvent être associés en série ou en parallèle pour fonctionner chacun à une zone de rendement favorable par rapport aux conditions de fonctionnement du générateur.
10 Selon un mode de réalisation : - chaque compresseur est relié par son entrée de gaz à une première canalisation respective pour l'admission de gaz dans ledit compresseur, les premières canalisations étant reliées à une canalisation d'entrée de gaz commune, au moins un dispositif d'orientation des gaz étant configuré pour contrôler le débit entre la canalisation d'entrée 15 de gaz commune et au moins une des premières canalisations ; - chaque compresseur est relié par sa sortie de gaz à une deuxième canalisation respective pour la sortie de gaz dudit compresseur, les deuxièmes canalisations étant reliées à une canalisation de sortie de gaz commune, au moins un dispositif d'orientation des gaz étant configuré pour contrôler le débit entre au moins une des deuxièmes 20 canalisations et la canalisation de sortie de gaz commune. En particulier, le dispositif d'orientation des gaz est une vanne trois voies. Selon un mode de réalisation, une troisième canalisation relie la sortie de gaz d'un des compresseurs vers l'entrée de gaz de l'autre compresseur, un dispositif d'orientation des gaz étant disposé dans ladite canalisation pour empêcher ou permettre la circulation 25 de gaz dans la troisième canalisation de façon à sélectivement mettre les deux compresseurs en série ou non. Selon une variante, la troisième canalisation comprend un échangeur de chaleur de manière à refroidir le gaz en entrée du compresseur situé en aval. Selon un mode de réalisation, le système de canalisation est en outre configuré 30 pour isoler au moins un des compresseurs de sorte que ce compresseur ne reçoive ou n'émette pas de gaz. Ainsi, l'on peut alimenter l'un des deux compresseurs seulement. Ce qui permet d'améliorer le rendement à faible charge d'un véhicule dans lequel le système est embarqué. Selon un mode de réalisation, les compresseurs sont configurés pour fonctionner 35 de manière alternée. Notamment, en fonctionnement du système de production, chaque compresseur fonctionne alternativement sur une période de temps. A chaque période de temps un des compresseurs fonctionne, c'est-à-dire comprime du gaz à l'admission du 3033836 3 générateur ; alors que l'autre générateur ne délivre pas de gaz à l'admission à l'admission du générateur, en particulier ce générateur est à l'arrêt ou est en veille. Ainsi, l'on évite un échauffement trop important des roulements des compresseurs. Par exemple, la période de temps est comprise entre 3 et 15 secondes, voire est égale à 15 secondes.
5 Selon un mode de réalisation, au moins un des compresseurs est entraîné par des gaz d'échappement délivrés par le générateur. Selon un mode de réalisation, au moins un des compresseurs est entraîné par une énergie électrique. En particulier, l'énergie électrique est fournie par un stockeur d'énergie électrique telle qu'une batterie, notamment une batterie du véhicule dans 10 lequel est embarqué le système. Selon une variante, le compresseur est entrainé par un moteur électrique à reluctance variable. Selon un mode de réalisation, le générateur est un moteur à combustion qui délivre un couple. En particulier, ce couple est destiné à entrainer un déplacement du véhicule dans lequel le système est embarqué. A cet effet, le couple peut être transmis à 15 une ou des roues du véhicule. Selon un mode de réalisation, le générateur est une pile à combustible qui délivre une énergie électrique. En particulier, cette énergie électrique est destinée à entrainer un moteur électrique pour un déplacement du véhicule dans lequel le système est embarqué.
20 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles: - la figure 1 est un graphe montrant le rendement d'un compresseur en fonction 25 de paramètres du compresseur ; - la figure 2 est un schéma explicatif d'un mode de fonctionnement en parallèle d'un système selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma explicatif d'un mode de fonctionnement en série d'un système selon l'invention ; 30 - la figure 4 est un schéma explicatif d'un mode de fonctionnement d'un système selon l'invention dans lequel un seul compresseur fonctionne ; - les figures 5 et 6 représentent respectivement un fonctionnement en parallèle et un fonctionnement en série d'un système dans lequel un des compresseurs est entrainé par une turbine ; 3033836 4 - la figure 7 représente un mode de fonctionnement en série d'un système qui comprend un échangeur de chaleur dans son système de canalisation. DESCRIPTION DÉTAILLÉE 5 Dans la suite de la description, on entend par compresseur, un compresseur de gaz, notamment l'air, volumétrique ou non, centrifuge ou radial par exemple, comprimant un gaz dans le but de suralimenter un générateur de couple tel qu'un moteur à combustion ou de comprimer des réactifs alimentant une pile à combustible pour générer une énergie électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention le compresseur est un 10 compresseur de suralimentation en air. Dans ce qui suit, le système va être décrit avec un pile à combustible, mais la description serait similaire avec un moteur à combustion. La figure 1 représente le rendement d'un compresseur en fonction du rapport de pression de sortie sur la pression d'entrée en ordonnée, et du débit d'air (kg/s ou m3/h ou 15 m3/s) en abscisse. Les courbes 1 sont des courbes isovitesse dont les unités sont en tours/mn. La zone 2 de meilleur rendement correspond à un rendement supérieur à environ 75%. Lorsqu'un seul compresseur est utilisé pour comprimer l'air apporté à la pile à combustible, suivant les conditions de fonctionnement de la pile à combustible, le 20 compresseur peut être amené à travailler dans une zone de faible rendement par exemple dans la zone 3 qui correspond à un rendement inférieur à 30%. Un exemple de système 100 selon l'invention est illustré en figure 2. Le système 100 comprend deux compresseurs 101, 102 et un système de canalisation 103 qui relie l'admission d'air aux entrées des compresseurs 101, 102, les sorties des compresseurs 25 101, 102 à l'entrée de la pile à combustible (non représentée), et la sortie d'un premier compresseur 101 à l'entrée d'un deuxième compresseur 102. Les premiers compresseurs 101, 102 sont reliés par leur entrée d'air à une première canalisation 101a, 102a respective pour l'admission d'air. Les premières canalisations 101a, 102a reçoivent de l'air d'admission par une canalisation d'entrée d'air 30 commune Ce. De même, les premiers compresseurs 101, 102 sont reliés par leur sortie d'air à une deuxième canalisation 101b, 102b respective pour la sortie d'air vers la pile à combustible. Les deuxièmes canalisations 101b, 102b délivre de l'air dans une canalisation de sortie d'air commune Cs. Une troisième canalisation C3 relie la sortie d'air du premier compresseur 101 vers 35 l'entrée d'air du deuxième compresseur 102. Grâce à des dispositifs d'orientation des gaz D1, D2, D3, les canalisations du système de canalisation 103 peuvent être ouvertes ou fermées afin de mettre les compresseurs 101, 102 en série ou en parallèle. Un premier dispositif d'orientation des gaz D1 est disposé à l'intersection des premières canalisations 101a, 102a et de la 3033836 5 canalisation d'entrée Ce pour contrôler le débit entre la canalisation d'entrée de gaz commune Ce et les premières canalisations 101a, 102a. Un deuxième dispositif d'orientation des gaz D2 est disposé à l'intersection des deuxièmes canalisations 101b, 102b et de la canalisation de sortie Cs pour contrôler le débit entre les deuxièmes 5 canalisations 101b, 102b et la canalisation de sortie d'air commune Cs. Le premier D1 et le deuxième D2 dispositif d'orientation des gaz peuvent être chacun implémenté par une vanne trois voies qui permet de mettre les canalisations en communication deux à deux. Un troisième dispositif d'orientation des gaz D3 est disposé dans la troisième canalisation C3 pour empêcher ou permettre la circulation d'air entre le premier compresseur 101 et 10 le deuxième compresseur 102. Dans la figure 2, les compresseurs 101,102 fonctionnent en parallèle. Le premier dispositif d'orientation des gaz D1 maintient ouvert les premières canalisations 101a, 102a pour qu'ils reçoivent de l'air acheminé par la canalisation d'entrée commune Ce, et le deuxième D2 dispositif d'orientation des gaz D1 maintient ouvert les deuxièmes 15 canalisations 101b, 102b pour qu'ils délivrent de l'air à la canalisation de sortie commune Cs. Le troisième dispositif d'orientation des gaz D3 ferme la troisième canalisation D3 afin d'empêcher un échange d'air entre le premier 101 et le deuxième 102 compresseur. Ce mode de fonctionnement en parallèle est particulièrement avantageux lorsque la pile à combustible fonctionne à pleine charge, par exemple une charge supérieure à 75%.
20 Dans une variante du mode de fonctionnement de la figure 2, les compresseurs 101, 102 fonctionnent de manière alternée. Le premier compresseur 101 fonctionne pendant une période de temps, 15s par exemple, alors que l'autre compresseur 102 est à l'arrêt ou en veille. Pendant la période de temps successive le deuxième compresseur 102 fonctionne, alors que l'autre compresseur 101 est à l'arrêt ou en veille. Ce 25 fonctionnement alterné permet de répartir l'échauffement lié au fonctionnement du compresseur entre les deux compresseurs. Cet échauffement est en particulier du à l'augmentation de température des roulements du compresseur. Pendant que l'un des compresseurs comprime l'air, l'autre ne fonctionne pas ce qui permet son refroidissement. Ceci est particulièrement avantageux lorsque les deux compresseurs 30 101, 102 sont entrainés électriquement. Dans la figure 3, les compresseurs 101,102 fonctionnent en série. Le premier dispositif d'orientation des gaz D1 maintient ouvert la première canalisation 101a du premier compresseur 101 et ferme la première canalisation 102a du deuxième compresseur 102 pour que l'air acheminé par la canalisation d'entrée commune Ce passe 35 seulement par le premier compresseur 101. Le troisième dispositif d'orientation des gaz D3 est ouvert afin de permettre l'air comprimé par le premier compresseur 101 d'entrer dans le deuxième compresseur 102. Le deuxième dispositif d'orientation des gaz D2 maintient ouvert la deuxième canalisation 102b du deuxième compresseur 102 et ferme la deuxième canalisation 101b du premier compresseur 101 pour que l'air délivré à la 3033836 6 canalisation de sortie commune Cs provienne seulement du deuxième compresseur 102. Ce mode de fonctionnement en série est particulièrement avantageux lorsque la pile à combustible fonctionne à charge moyenne, par exemple comprise entre 50% et 75%. Par exemple, la pression PO de l'air acheminé au premier compresseur 101 est de 1bar, la 5 pression P1 en sortie du premier compresseur 101 est de 1,5bar et la pression P2 en sortie du deuxième compresseur 102 est de 2,25bar. Dans la figure 4, seul le premier compresseur 101 fonctionne, le deuxième compresseur 102 étant à l'arrêt ou en veille. Les dispositifs d'orientations des gaz D1, D2, D3 ferment respectivement la première canalisation 102a du deuxième compresseur 102, 10 la deuxième canalisation 102b du deuxième compresseur 102 et la troisième canalisation C3, permettant ainsi d'isoler le deuxième compresseur 102 de l'air circulant dans le système de canalisation 103. Ce mode de fonctionnement est particulièrement avantageux lorsque la pile à combustible fonctionne à charge moyenne, par exemple comprise entre 25% et 50%. Dans une variante, le deuxième compresseur 102 fonctionne, 15 alors que le premier compresseur 101 est à l'arrêt ou en veille. Le choix de l'un ou l'autre des compresseurs 101, 102 peut être déterminé par un échauffement du compresseur, par exemple lié à une activité antérieure du compresseur. Ainsi, par exemple, le compresseur ayant la température la plus faible peut être choisi pour ce mode de fonctionnement.
20 Les compresseurs 101, 102 peuvent être entrainés électriquement ou par des gaz d'échappement produits par la pile à combustible. Par exemple, les deux compresseurs 101, 102 sont entrainés électriquement par un moteur électrique intégré dans le compresseur. Le moteur électrique du compresseur électrique peut être est un moteur à 25 courant continu ou alternatif, synchrone, ou tout autre moteur électrique susceptible d'entrainer le compresseur. Plus précisément, le moteur électrique peut être un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor selon la terminologie anglaise). Dans les exemples illustrés en figures 5 et 6, le premier compresseur 101 est 30 entraîné électriquement et le deuxième compresseur 102 est entrainé par une turbine T qui reçoit les gaz d'échappement produits par la pile à combustible G. En figure 5, les compresseurs 101, 102 sont en parallèle. En figure 6, les compresseurs 101, 102 sont en série. Le système 100 peut comprendre un échangeur de chaleur E, permettant le 35 refroidissement de l'air délivré à la pile à combustible, et par exemple les gaz issus du premier compresseur mécanique 101. Cet échangeur de chaleur E correspond notamment à un échangeur appelé "RAS" par l'homme du métier, qui signifie "refroidisseur d'air de suralimentation". L'échangeur de chaleur E assure un échange thermique entre les gaz d'admission et le fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur E.
3033836 7 En sortie de l'échangeur de chaleur E, les gaz sont à une température proche de celle du fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur E. Dans l'exemple de la figure 7, l'échangeur de chaleur E est sur la troisième canalisation C3 pour refroidir l'air entre le premier compresseur 101 et le deuxième 5 compresseur 102 lorsqu'ils sont en série. L'échangeur de chaleur E peut en outre refroidir les gaz d'échappement délivrés par la pile à combustible G, après par exemple que ces gaz aient entrainé la turbine T du compresseur 102. Les figures 2 à 7 ont été décrites avec une pile à combustible. Cependant, la pile à combustible aurait pu être remplacée par un moteur à combustion sans que la 10 description s'en trouve sensiblement modifiée. En outre, un gaz d'admission autre que l'air pourrait être utilisé suivant les réactifs utilisés pour le fonctionnement de la pile à combustible. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans 15 s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Système de production d'énergie ou de couple (100) comprenant : - un générateur (G) configuré pour générer une énergie ou un couple à partir d'un gaz introduit à une admission du générateur ; - au moins deux compresseurs (101, 102) du gaz à l'admission du générateur ; - un système de canalisation (103) dans lequel les canalisations (101a, 102a, 101b, 102b, Ce, Cs) sont configurées pour être ouvertes ou fermées afin de mettre sélectivement lesdits compresseurs (101, 102) en série ou en parallèle.
  2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel : - chaque compresseur (101, 102) est relié par son entrée de gaz à une première canalisation (101a, 102a) respective pour l'admission de gaz dans ledit compresseur, les premières canalisations (101a, 102a) étant reliées à une canalisation d'entrée de gaz commune (Ce), au moins un dispositif d'orientation des gaz (D1) étant configuré pour contrôler le débit entre la canalisation d'entrée de gaz commune (Ce) et au moins une des premières canalisations (101a, 102a) ; - chaque compresseur (101, 102) est relié par sa sortie de gaz à une deuxième canalisation (101b, 102b) respective pour la sortie de gaz dudit compresseur, les deuxièmes canalisations (101b, 102b) étant reliées à une canalisation de sortie de gaz commune (Cs), au moins un dispositif d'orientation des gaz (D2) étant configuré pour contrôler le débit entre au moins une des deuxièmes canalisations (101b, 102b) et la canalisation de sortie de gaz commune (Cs).
  3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une troisième canalisation (C3) relie la sortie de gaz d'un des compresseurs (101) vers l'entrée de gaz de l'autre compresseur (102), un dispositif d'orientation des gaz (D3) étant disposé dans ladite canalisation (C3) pour empêcher ou permettre la circulation de gaz dans la troisième canalisation de façon à sélectivement mettre les deux compresseurs en série ou non.
  4. 4. Système selon la revendication précédente, dans lequel la troisième canalisation (C3) comprend un échangeur de chaleur (E) de manière à refroidir le gaz en entrée du compresseur (102) situé en aval. 3033836 9
  5. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système de canalisation (103) est en outre configuré pour isoler au moins un des compresseurs (102) de sorte que ce compresseur ne reçoive ou n'émette pas de gaz. 5
  6. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les compresseurs (101, 102) sont configurés pour fonctionner de manière alternée.
  7. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins 10 un des compresseurs (102) est entraîné par des gaz d'échappement délivrés par le générateur (G).
  8. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un des compresseurs (101) est entraîné par une énergie électrique. 15
  9. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le générateur (G) est un moteur à combustion qui délivre un couple.
  10. 10. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le générateur (G) 20 est une pile à combustible qui délivre une énergie électrique.
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