WO2006005859A2 - Module de puissance pour moteur electrique de traction de vehicule automobile et procede de regulation d'un tel module de puissance - Google Patents

Module de puissance pour moteur electrique de traction de vehicule automobile et procede de regulation d'un tel module de puissance Download PDF

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Definitions

  • Power module for motor vehicle traction motor and method of regulating such a power module are provided.
  • the present invention relates to a power module for generating electrical energy for supplying an electric traction motor of a motor vehicle, of the type comprising a fuel cell system and a method of regulating such a device.
  • power module Such power modules for fuel cell vehicles have the disadvantage of a dynamic power response generally incompatible with the services expected by the driver of the vehicle. Indeed, any change in the operating point of the fuel cell system causes a change in the set pressure inside the fuel cell and therefore an evolution of the amount of gaseous material contained in the various components and circuits of the fuel cell system. power module.
  • the difference between the performance expected by the driver and those obtained by the power module can be offset by a temporary storage system of electrical energy including for example a battery or a super-capacity.
  • US Pat. No. 6,326,763 describes a control of a fuel cell system equipped with a reformer for the supply of hydrogen-rich gas, in which the improvement of the dynamics in response a transient power demand is obtained by means of an auxiliary power system comprising an energy accumulator in the form of a super capacitance, a battery or a flywheel.
  • the accumulated energy can advantageously be recovered during the deceleration phase of the vehicle.
  • NISSAN Japanese patent application JP 2003/1551 1
  • DADD 01/48367 proposes the use, as an energy buffer, of hydride - forming materials capable of absorbing hydrogen and of discharging this hydrogen rapidly in the event of driver acceleration demand.
  • the use of a tank compressed gas auxiliary for transient acceleration phases is also provided.
  • German patent application DE 100 57 384 provides an additional supply of oxygen for the fuel cell in the event of a transient increase in the requested output power.
  • the regulation provides, in this case, a reduction of the pressure which necessarily results in a temporary increase in the output rate of the fuel cell. If it is desired to recover a portion of the available gas energy at the exit of the fuel cell, the power module therefore produces, temporarily, a surplus of energy. While such a surplus may be stored in a storage battery, it may be added to a quantity of energy recovered during braking, so that the battery can quickly be insufficient.
  • the object of the present invention is to solve these various drawbacks and to propose a power module having a significantly improved power response dynamics.
  • the present invention is based on the observation that a remarkable improvement in the power response dynamics can be obtained despite transient degradation of pressure during power demand variations. It has indeed been noticed that the increase of the pressure, simultaneously with an increase of the flow rate, during an increase in the power demand, was essentially aimed at the search for a better yield and the maintenance of a balance sheet. of positive water, that is to say the recovery at the outlet of the fuel cell system of a quantity of water at least equal to the amount of water necessary for the operation of the reformer and the humidification of the gases .
  • positive water that is to say the recovery at the outlet of the fuel cell system of a quantity of water at least equal to the amount of water necessary for the operation of the reformer and the humidification of the gases .
  • these objectives could perfectly well be able to deal with transient degradation, thus enabling a significant increase in the power response dynamics.
  • a power module for generating electrical energy for powering a motor vehicle traction motor comprises a fuel cell system having an anode compartment fed with hydrogen - rich gas and a fuel cell. cathode compartment supplied with compressed air by a compressor. Means for regulating the output flow of at least one gas flow from the fuel cell are provided as well as control means capable of acting on the compressor and on the means for regulating the output flow rate.
  • the control means are capable, in case of rapid transient variation of the power demanded, of varying the gas flow rate at the inlet and the outlet of at least one compartment of the fuel cell, in the same direction as the direction of variation of the requested power.
  • This flow variation at the inlet and at the outlet causes a rapid transient variation in the amount of material present in the fuel cell. This results in an acceleration of the gas flow in the fuel cell and therefore an improvement in the power response dynamics of the power module.
  • control means includes a gas flow regulating device at the fuel cell inlet for varying the flow of gas at the inlet as a function of a rapid transient variation of the requested power. , said control means being able simultaneously to control a variation of the gas flow at the fuel cell outlet, in the same direction as the direction of variation of the requested power.
  • control means are capable, in the event of rapid transient variation of the power demanded, of controlling, in a first phase, a rapid variation of the gas flow at the outlet of the fuel cell, in the same direction as the direction of variation of the requested power, then, in a second phase, a slower variation of the gas flow at the exit of the fuel cell, always in the same direction, until reaching a setpoint corresponding to the requested power.
  • the means for regulating the output flow rates of the gases from the fuel cell may comprise control valves controlled by the control means and mounted on gas outlet pipes from the compartments of the fuel cell.
  • the power module may, for this purpose, include means for measuring the pressure difference between the anode and cathode compartments of the fuel cell.
  • the control means are advantageously capable of maintaining this pressure difference below a predetermined threshold.
  • Another aspect of the invention relates to a method for regulating a power module supplying electric power to an electric traction motor of a motor vehicle, of the type comprising a fuel cell system in which the flow rate of the fuel cell is regulated. output of at least one gas stream from the fuel cell.
  • a power module supplying electric power to an electric traction motor of a motor vehicle, of the type comprising a fuel cell system in which the flow rate of the fuel cell is regulated. output of at least one gas stream from the fuel cell.
  • preference is given to establishing the set flow rate of the gas flow from the fuel cell to the detriment of the set pressure.
  • the gas flow rate at the inlet and at the outlet of at least one compartment, whether anode or cathode, of the fuel cell is varied. , in the same sense as the direction of variation of the requested power.
  • both the input rate and the throughput are increased. output of the anode compartment and / or the cathode compartment of the fuel cell.
  • the pressure difference between the two compartments is preferably maintained below a predetermined threshold.
  • the amount of excess gas resulting from the increase in flow rates can be brought to the inlet of the turbine of the group. turbocharger. It is thus possible to value the excess quantity of material generated by the implementation of the process during the transient phases.
  • FIG. 1 schematically represents the modeling of a volume of a fuel cell
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates the main elements of a power module for the various associated members according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 3a to 3f show on different time curves the evolution of flow rates and pressure during an increase in the requested power; and FIGS. 4a to 4f illustrate, on similar curves, the evolution of flow rates and of pressure during a temporary decrease in power demand.
  • the gas supply systems of a fuel cell are regulated by a set of actuators, such as single or multiple compressors. multiple stages, single or multi-stage turbines, control valves, etc. , which make it possible to vary the flow rates and the pressures at different points of the supply circuits.
  • the fluid supply circuits of a power module can be modeled by a set of individual volumes.
  • a volume 1 which may represent part of an anode or cathode compartment of a stack of cells forming a fuel cell, comprises an inlet orifice 2 and an outlet orifice 3.
  • the volume 1 may itself be divided, for example according to a reaction kinematic, into two sub-volumes denoted V 1 1 and V 2 1 .
  • the flow of a gas flow in the volume 1 is shown schematically by the arrows 4. If we consider a system composed of several volumes ensuring the anode and cathode power supplies of the battery, each volume i comprises a supply ensuring a flow rate entrapment entry noted Q 61 .
  • An outlet flow control valve not shown in Figure 1, provides an output flow Q S1 for the gas.
  • the evolution of the mean pressure in volume i is given by a relation of the form:
  • Qreac is a rate of creation / disappearance of matter related to the chemical reactions that intervene in the volume i and K 1 a geometrical parameter.
  • the gross electric power provided by the fuel cell is an increasing function of the flow rate value QrCaC 1 which is itself, at constant stoichiometry, proportional to the flow of gas inside a section of the volume, a flow rate which is noted Qint ,.
  • V tot is the total volume
  • the flow setpoint value Qint In response to a corresponding requested electrical power step, either an increase or a decrease in the requested power, the flow setpoint value Qint will be changed. Due to the different parameters, among which we can mention the respect of the water balance in the system and the optimization of the overall efficiency, the value of the pressure set point will also evolve, in the same direction as the flow rate. In other words, the value of the pressure setpoint increases as the value of the flow setpoint increases.
  • a conventional operation (described for example in the patent application US 2002/22161) consists in controlling the actuator at the input of the volume (generally a compressor) to make the input flow rate Qe 1 to the desired setpoint of Qint ,. Simultaneously, the actuator placed at the outlet of the volume under consideration (usually a control valve) is piloted so as to ensure the pressure setpoint.
  • a request to increase electric power results in an increase in flow setpoint and pressure which is conventionally seeks to respond by increasing the input flow Qe 1 and by a temporary decrease in output rate Qs 1 to increase the value of the pressure to reach the set pressure.
  • This temporary decrease in the output rate has the effect of slowing down Qint's response dynamics, and thereby also the power response dynamics of the power module.
  • the difference between the value of the setpoint flow and the value of the flow rate obtained Qint, is important and puts a time relatively important, of the order of two seconds, to be compensated.
  • the temporary reduction of the output flow Qs 1 involves additional electrical demand to drive the compressor supplying the entire system to the system. pressurized air. This results in a reduction in the net power delivered by the power module.
  • control means are used capable of varying the flow rates of gas at the inlet and the outlet of a volume of the fuel cell, in the same direction as the direction of variation of the power. requested.
  • the "stored" material is used in the different volumes of the power module to increase the power response dynamics.
  • FIG. 2 illustrates, by way of example and very schematically, a referenced power module 5 which comprises a fuel cell 6, a reforming device 7.
  • the device 7 comprises a reformer 8, various gas purification devices 9 Hydrogen produced by the reformer 8 and a burner 10, all of which are roughly schematized in Figure 2, without showing the different connections between them.
  • a turbocharger 11 comprises a compressor 12 and a turbine 13 mounted on the same mechanical shaft 14.
  • the fuel cell 6 comprises, meanwhile, an anode compartment 15 and a cathode compartment 16 separated by a membrane 17.
  • the anode compartment 15 is fed through the pipe 18 hydrogen-rich gas produced by the reforming system 7.
  • L The fresh air supplied by the pipe 19 is compressed in the compressor 12 and can then supply, via the pipe 20, the cathode compartment 16 of the fuel cell 6 and the reformer 8 via the pipe 21.
  • Excess hydrogen from the anode compartment 15 is returned via the return line 22 to the burner 10 to heat the gases supplied to the reformer 8.
  • a control valve 23 controls the output flow of the anode compartment 15 and therefore the pressure inside said compartment.
  • a control valve 26 mounted in the the pipe 24 controls the output flow of the cathode compartment 16 and therefore the pressure therein.
  • Part of the excess air conveyed by the outlet pipe 24 is also brought back by the bypass 27 to the burner 10 to promote combustion.
  • a valve 28 mounted in the pipe 27 makes it possible to regulate the quantity of oxygen supplied to the burner 10.
  • Control means symbolized by an electronic control unit 29, noted UCV in FIG. 2, make it possible in particular to control the operation power module 5.
  • the traction of the vehicle is provided by an electric motor 30, comprising an associated power electronics 31.
  • An auxiliary power source here represented in FIG. 2 in the form of a battery 32, makes it possible to store and retrieve electrical energy according to modes of operation defined by the control means 29.
  • the control means 29 also control an electrical interface 33 to ensure the demand of electrical energy expressed by the driver 34 during an action on the pedal of accelerator 35 whose position is detected by a position sensor 36.
  • the control means 29 thus receive a signal corresponding to the power demand by the connection 37, information on the operation of the various members of the power module 5 by the connection 38, information on the energy level of the battery 32 by the connection 39.
  • the control means 29 can act on the interface el electrical 33 by the connection 40.
  • connection 41 The electric energy produced by the fuel cell 6 is transferred by the connection 41 to the electrical interface 33. Exchanges of electrical energy can take place between the interface 33 and the battery 32 via the connection 42.
  • control 3 1 of the electric motor 30 receives the electrical energy through the connection 43 which is connected to the electrical interface 33.
  • the electrical interface 33 can also supply additional electrical energy to the turbocharger 1 1 through the electrical connection 44 .
  • the control means 29 can also control, via the electrical interface 33 and the connection 44, the operation of the compressor 12, thus modifying the flow rate at the inlet of the fuel cell 6.
  • the control means 29 can act on the flow rates at the outlet of each of the anode compartments 15 and cathode 16 individually by controlling the control valves 23 and 26 connected to the control means 29 by the connections 45 and 46.
  • the control can also be made simultaneously on both compartments 15 and
  • FIGS. 3a to 3f illustrate an example of control performed by the control means 29 during a sudden increase in the electrical power demanded.
  • FIG. 3a shows the value of the setpoint flow rate Q c in moles / second during a requested power step.
  • the target flow rate goes from 0.5 to 3 mol / second.
  • FIG. 3b illustrates the corresponding variation of the flow Q e in moles / second at the inlet of a compartment of the fuel cell. We can see that the flow is increasing fast enough to exceed the set value and return to this value after about 7 seconds.
  • FIG. 3c illustrates the value of the flow rate Q s in moles / second at the output as it is controlled by the control unit according to the invention.
  • the value Q s first increases very rapidly, up to about 2.5 mol / second in the example illustrated, then more slowly, until it gradually reaches the value of 3 mol / second after about 7 seconds.
  • Figure 3d illustrates the percentage of errors between the achieved flow and the set flow. It can be seen that the percentage of error is small (barely more than 20%) and that it is absorbed very quickly, in practically 4 seconds, whereas in a conventional type of control system, a duration of 7 to 8 seconds was usual.
  • Figure 3e illustrates the value of the set pressure P c expressed in hectopascals. It can be seen that the increase in the setpoint pressure is substantially analogous to the increase in the setpoint flow rate Q c illustrated in FIG. 3a.
  • Figure 3f illustrates the variation of the effective pressure P in hectopascals. It appears on the curve of FIG. 3f that the effective pressure first decreases slightly for less than one second because of the sudden increase in the output flow Q s controlled in accordance with the invention. The pressure P then increases gradually until reaching the set pressure P c .
  • FIGS. 4a to 4f illustrate a similar operation during a sudden decrease in the power demanded.
  • the curves of FIGS. 4a to 4f are all time curves.
  • FIG. 4a illustrates the value of the reference flow rate Q c which decreases in the form of a step in a brutal manner.
  • FIG. 4b shows the corresponding controlled change in the flow rate at the inlet Q e showing a rapid decrease followed by an increase to reach the set value Q c .
  • FIG. 4c shows that the system of the invention also controls a sudden decrease in the output flow rate Q 5 followed by a slower decrease to reach the setpoint flow rate Q c .
  • FIG. 4d illustrates in percentage the value of the error ⁇ between the flow rate achieved and the target flow rate, showing a small error of less than 10% which decreases very rapidly.
  • FIG. 4e shows the value of the set pressure P c which substantially follows that of the setpoint flow Q c .
  • FIG. 4f illustrates the variations of the effective pressure P which show a slight initial increase resulting from the sudden decrease in the output flow rate Q 8 in the first phase of the piloting. The actual pressure then gradually returns to the set pressure.
  • control of the inlet and outlet flow rates is thus carried out on at least one compartment of the fuel cell without worrying about the maintenance of the pressure setpoint, which makes it possible to significantly increase the dynamic range. system power response.
  • control of the flows is carried out simultaneously on all the compartments of the fuel cell
  • the control of each of the anode and cathode compartments of the fuel cell can then be done independently and simultaneously while maintaining the pressure difference between the two compartments below a predetermined threshold, eliminating any risk that might have resulted from a pressure drop in only one of the compartments of the fuel cell.

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Abstract

Module de puissance pour générer de l' énergie électrique destinée à alimenter un moteur électrique de traction de véhicule automobile (30), du type comprenant un système de pile à combustible (6) présentant un compartiment anodique (15) alimenté en gaz riche en hydrogène et un compartiment cathodique (16) alimenté en air comprimé par un compresseur (12), des moyens de régulation (23, 26) des débits de sortie des gaz issus de la pile à combustible et des moyens de commande (29) capables d' agir sur le compresseur (12) et sur les moyens de régulation (23, 26) des débits de sortie, caractérisé par le fait que les moyens de commande (29) sont capables, en cas de variation transitoire rapide de la pui ssance demandée, de faire varier les débits de gaz à l' entrée et à la sortie de la pile à combustible (6), dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.

Description

Module de puissance pour moteur électrique de traction de véhicule automobile et procédé de régulation d'un tel module de puissance.
La présente invention a pour objet un module de pui ssance pour générer de l ' énergie électrique destinée à alimenter un moteur électrique de traction d' un véhicule automobile, du type comprenant un système de pile à combustible et un procédé de régulation d' un tel module de puissance. De tels modules de puissance pour véhicules à pile à combustible présentent l 'inconvénient d 'une dynamique de réponse en puissance généralement incompatible avec les prestations attendues par le conducteur du véhicule. En effet, tout changement du point de fonctionnement du système de pile à combustible entraîne une évolution de la pression de consigne à l'intérieur de la pile à combustible et donc une évolution de la quantité de matière gazeuse contenue dans les différents organes et circuits du module de puissance. Cette évolution entraîne, d' une part, un retard dans l ' établissement du débit des gaz de consigne, et, d ' autre part, une réduction temporaire de l ' énergie éventuellement récupérée par la turbine dans le cas où le module de puissance comprend un groupe turbocompresseur pour alimenter la pile à combusti ble en air comprimé. Ces deux effets ont pour conséquence une réduction de la dynamique de puissance disponible pour la traction du véhicule. Ces difficultés sont particulièrement sensibles, dans le cas où le système de pile à combustible est alimenté en gaz riche en hydrogène par un dispositif reformeur capable de produire un mélange gazeux riche en hydrogène à partir d' un carburant de type méthanol, éthanol, essence ou analogue. Dans ce cas, en effet, la dynamique de production de l 'hydrogène par un tel reformeur est relativement lente du fait des contraintes inhérentes au fonctionnement du dispositif reformeur.
L'écart entre les performances attendues par le conducteur et celles obtenues par le module de puissance peut être compensé par un système de stockage temporaire de l 'énergie électrique comprenant par exemple une batterie ou une super-capacité.
C'est ainsi que le brevet US 6 326 763 (KING) décrit une commande d' un système de pile à combustible muni d' un reformeur pour l ' alimentation en gaz riche en hydrogène, dans lequel l ' amélioration de la dynamique en réponse à une demande de puissance transitoire est obtenue au moyen d' un système de puissance auxiliaire comprenant un accumulateur d' énergie sous la forme d' une super¬ capacité, d' une batterie ou encore d' un volant d' inertie. L' énergie accumulée peut être avantageusement récupérée en phase de décélération du véhicule.
La demande de brevet japonais JP 2003/1551 1 (NISSAN) décrit un dispositif dans lequel la détection d'une action sur la pédale d'accélérateur permet de piloter une alimentation prioritaire en énergie du moteur électrique de traction du véhicule, de façon, là encore, à améliorer la dynamique de réponse en puissance.
De tels dispositifs ne permettent pas néanmoins d' atteindre instantanément la puissance maximale éventuellement souhaitée, à moins de disposer d' une batterie d'accumulateur de très forte pui ssance, c' est-à-dire d' encombrement exagéré et de coût important. Les demandes de brevets WO 01/ 16021 (SNOW) et WO
01/48367 (DADD) proposent l ' utilisation, à titre de tampon énergétique, de matériaux formant des hydrures capables d ' absorber l ' hydrogène et de décharger cet hydrogène rapidement en cas de demande d' accélération du conducteur. L'utilisation d'un réservoir auxiliaire de gaz comprimé pour les phases transitoires d ' accélération est également prévue.
La demande de brevet allemand DE 100 57 384 (MAN) prévoit une alimentation supplémentaire en oxygène pour la pile à combustible en cas d' augmentation transitoire de la puissance de sortie demandée.
La demande de brevet US 2002/22161 - inventeur : Kurosaki (Honda) décrit la commande d' un système de pile à combustible alimentée en air comprimé au moyen d'un compresseur dans laquelle on fait varier la puissance fournie par la pile à combustible en agissant sur le compresseur, c 'est-à-dire sur la quantité d' air introduite à l ' entrée de la pile à combustible. Simultanément, une vanne de régulation placée sur la conduite de sortie de la pile à combustible est pilotée de façon à augmenter le plus rapidement possible la pression dans la pile à combustible pour atteindre la pression de consigne correspondant à la puissance demandée. Ainsi, selon cette demande de brevet, une demande d'augmentation de puissance, qui se traduit par une augmentation des valeurs de consigne de débit et de pression dans la pile à combustible, entraîne une augmentation du débit des gaz en entrée dans la pile à combustible et une diminution temporaire du débit des gaz en sortie de la pile à combustible afin d' augmenter la pression. Il est en effet indiqué, dans ce document, qu' il convient de veiller à ce que la pression dans la pile à combustible ne dimi nue pas lors d' une augmentation transitoire de la demande de puissance.
Le brevet US 6 488 345 - inventeur : Woody (General Electric) décrit un système de freinage régénératif pour un système de pile à combustible, dans lequel on prévoit, pour l ' assistance au freinage, de faire fonctionner le compresseur à plus haute pression, entraînant ainsi une augmentation de la pression dans le système de pile à combustible et, de ce fait, une diminution du débit des gaz en sortie de la pile à combustible.
Dans ces deux derniers documents, on constate que, lors d ' une augmentation transitoire rapide de la demande de puissance, les régulations proposées tendent chaque fois à répondre le plus rapidement possible à la valeur de consigne de pression. Dans ces conditions, le débit des gaz en sortie de la pile à combustible est tout d' abord diminué pour permettre l' augmentation de la pression, avant de croître lentement vers la valeur de consigne du débit, permettant d' obtenir la puissance demandée. L' écart entre la valeur de consigne du débit de sortie et le débit des gaz réellement obtenu à l ' intérieur de la pile à combustible est important, et on constate qu' il met près de deux secondes à être compensé. De plus, lorsqu' un module de puissance comprend un turbocompresseur pour alimenter la pile à combustible et/ou un dispositif reformeur en air comprimé, une partie des gaz de sortie peut être valorisée par alimentation de la turbine. Dans ce cas, la réduction temporaire des gaz en sortie de pile à combustible implique une demande électrique supplémentaire pour faire fonctionner le compresseur, et, de ce fait, une réduction de la puissance nette délivrée par le module de puissance.
A l 'inverse, dans le cas d' une forte baisse de la demande électrique, la valeur de consigne du débit des gaz en entrée de pile à combustible diminue, de même que la valeur de consigne de la pression. En conclusion, dans les documents de l' état de la technique ci- dessus mentionnés, la régulation prévoit, dans ce cas, une réduction de la pression qui se traduit obligatoirement par une augmentation temporaire du débit de sortie de la pile à combustible. Si l ' on désire récupérer une partie de l ' énergie des gaz disponible à la sortie de la pile à combustible, le module de puissance produit donc, transitoirement, un surplus d' énergie. Certes, un tel surplus peut être stocké dans une batterie d' accumulation, mais il risque alors de venir s'ajouter à une quantité d' énergie récupérée lors du freinage, de sorte que la batterie peut rapidement s'avérer insuffisante.
La présente invention a pour objet de résoudre ces différents inconvénients et de proposer un module de puissance présentant une dynamique de réponse en puissance nettement améliorée.
La présente invention repose sur la constatation du fait que l ' on peut obtenir une amélioration remarquable de la dynamique de réponse en puissance malgré une dégradation transitoire de la pression, lors des variations de la demande de puissance. Il a en effet été remarqué que l ' augmentation de la pression, simultanément à une augmentation du débit, lors d'une augmentation de la demande de puissance, avait essentiellement pour objet la recherche d' un meilleur rendement et le maintien d' un bilan d'eau positif, c'est-à-dire la récupération en sortie du système de pile à combustible d'une quantité d'eau au moins égale à la quantité d'eau nécessaire au fonctionnement du reformeur et à l 'humidification des gaz. Or, il a été maintenant constaté que ces objectifs pouvaient parfaitement se sati sfaire d ' une dégradation transitoire, permettant ainsi l ' augmentation notable de la dynamique de réponse en puissance.
Selon un aspect de l ' invention, un module de puissance pour générer de l ' énergie électrique destinée à alimenter un moteur électrique de traction de véhicule automobile, comprend un système de pile à combustible présentant un compartiment anodique alimenté en gaz riche en hydrogène et un compartiment cathodique alimenté en air comprimé par un compresseur. Des moyens de régulation du débit de sortie d'au moins un flux de gaz issu de la pile à combustible sont prévus ainsi que des moyens de commande capables d ' agir sur le compresseur et sur les moyens de régulation du débit de sortie. Les moyens de commande sont capables, en cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, de faire varier le débit de gaz à l 'entrée et à la sortie d 'au moins un compartiment de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.
Cette variation de débit à l ' entrée comme à la sortie entraîne une variation transitoire rapide de la quantité de matière présente dans la pile à combustible. Il en résulte une accélération du débit de gaz dans la pile à combustible et donc une amélioration de la dynamique de réponse en puissance du module de puissance.
Dans un mode de réalisation, les moyens de commande comprennent un dispositif régulateur du débit de gaz à l ' entrée de la pile à combustible pour faire varier le débit de gaz à l 'entrée en fonction d' une variation transitoire rapide de la puissance demandée, lesdits moyens de commande étant capables, simultanément, de commander une variation du débit de gaz à la sortie de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.
Le mode de variation des débits de gaz peut être adapté à chaque cas particulier. Dans un mode de réalisation, les moyens de commande sont capables, en cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, de commander, dans une première phase, une variation rapide du débit de gaz à la sortie de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée, puis, dans une deuxième phase, une variation plus lente du débit de gaz à la sortie de la pile à combustible, toujours dans le même sens, jusqu'à atteindre une valeur de consigne correspondant à la puissance demandée.
Les moyens de régulation des débits de sortie des gaz issus de la pile à combustible peuvent comprendre des vannes de régulation commandées par les moyens de commande et montées sur des conduites de sortie des gaz issus des compartiments de la pile à combustible.
Lors d' une augmentation transitoire rapide de la demande de puissance, les débits en entrée et en sortie de l ' ensemble des compartiments de la pile à combustible peuvent être transitoirement augmentés simultanément pour accélérer la dynamique de réponse en puissance. Dans ce cas, il peut être nécessaire d' éviter une trop grand différence de pression entre les compartiments anodique et cathodique de la pile à combustible. Le module de puissance peut, à cet effet, comprendre des moyens pour mesurer la différence de pression entre les compartiments anodique et cathodique de la pile à combustible. Les moyens de commande sont avantageusement capables de maintenir cette différence de pression au dessous d' un seuil prédéterminé.
Un autre aspect de l' invention concerne un procédé de régulation d' un module de puissance fournissant de l ' énergie électrique à un moteur électrique de traction de véhicule automobile, du type comprenant un système de pile à combustible dans lequel on régule le débit de sortie d' au moins un flux de gaz issu de la pile à combustible. En cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, on privilégie l ' établissement du débit de consigne du flux de gaz issu de la pile à combustible au détriment de la pression de consigne.
Dans un mode de mise en œuvre, en cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, on fait varier le débit de gaz à l ' entrée et à la sortie d'au moins un compartiment, anodique ou cathodique, de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la pui ssance demandée.
Par exemple, en cas d'augmentation transitoire rapide de la puissance demandée, on augmente à la fois le débit d' entrée et le débit de sortie du compartiment anodique et/ou du compartiment cathodique de la pile à combustible.
Lorsqu' on augmente à la fois le débit d ' entrée et l e débit de sortie du compartiment anodique et du compartiment cathodique de la pile à combustible, on maintient de préférence la différence de pression entre les deux compartiments, inférieure à un seuil prédéterminé.
Dans le cas d' un module de puissance comprenant un groupe turbocompresseur pour l' alimentation en air comprimé de la pile à combustible, la quantité de gaz excédentaire résultant de l ' augmentation des débits peut être amenée à l ' entrée de la turbine du groupe turbocompresseur. On peut ainsi valoriser la quantité excédentaire de matière générée par la mise en œuvre du procédé lors des phases transitoires.
La présente invention sera mieux comprise à l 'étude d' un mode de réalisation particulier décrit à titre d' exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels :
-la figure 1 représente schématiquement la modélisation d' un volume d' une pile à combustible ;
-la figure 2 illustre schématiquement les principaux éléments d' un module de puissance pour les différents organes associés selon un mode de réalisation de l'invention ;
-les figures 3a à 3f montrent sur différentes courbes temporelles l ' évolution des débits et de la pression lors d' une augmentation de la puissance demandée ; et -les figures 4a à 4f illustrent sur des courbes analogues l ' évolution des débits et de la pression lors d' une diminution temporaire de la demande de puissance.
Les systèmes d' alimentation en gaz d' une pile à combustible sont régulés par un ensemble d' actionneurs, tels que compresseurs à un ou plusieurs étages, turbines à un ou plusieurs étages, vannes de régulation, etc. , qui permettent de faire varier les débits et les pressions en différents points des circuits d' alimentation. Les circuits d' alimentation en fluide d' un module de puissance peuvent être modélisés par un ensemble de volumes individuels.
En se référant à la figure 1 , on va maintenant expliquer, à titre d' exemple, un système particulier simple qui peut être générali sé à toutes les architectures de module de puissance.
Comme illustré sur la figure 1 , un volume 1 qui peut représenter une partie d'un compartiment anodique ou cathodique d' un empilement de cellules formant une pile à combustible, comprend un orifice d' entrée 2 et un orifice de sortie 3. Le volume 1 peut être lui-même divisé, par exemple en fonction d ' une cinématique réactionnelle, en deux sous- volumes notés V1 1 et V2 1. L'écoulement d'un flux de gaz dans le volume 1 est schématisé par les flèches 4. Si l' on considère un système composé de plusieurs volumes assurant les alimentations anodique et cathodique de la pile, chaque volume i comporte une alimentation assurant un débit d'entrée pilotable noté Q61. Une vanne de régulation du débit de sortie, non représentée sur la figure 1 , assure un débit de sortie QS1 pour le gaz. L' évolution de la pression moyenne dans le volume i est donnée par une relation de la forme :
P1 = K1 . IJ(Qe1 - Qs1) . dt + JQreac, . Λj (1)
où Qreac, est un débit de création/disparition de matière lié aux réactions chimiques qui interviennent dans le volume i et K1 un paramètre géométrique. La puissance électrique brute fournie par la pile à combustible est une fonction croissante de la valeur du débit QrCaC1 qui est lui-même, à stoechiométrie constante, proportionnel au débit de gaz à l ' intérieur d ' une section du volume, débit qui est noté Qint,. En première approximation, on a :
oint, = -J^- Qe1 + ^- Qs1 (2) tθt, I tθt,l
°ù Vtot , est le volume total.
En réponse à un échelon de puissance électrique demandée correspondant, soit à une augmentation, soit à une diminution de la puissance demandée, la valeur de consigne du débit Qint, va être modifiée. En raison des différents paramètres, parmi lesquels on peut citer le respect du bilan d ' eau dans le système et l ' opti misation du rendement global, la valeur de la consigne de pression va également évoluer, dans le même sens que le débit. En d ' autres termes, la valeur de la consigne de pression croît lorsque la valeur de la consigne de débit croît.
Pour répondre à ces valeurs de consigne, un fonctionnement classique (décrit par exemple dans la demande de brevet US 2002/22161 ) consiste à piloter l ' actionneur en entrée du volume (généralement un compresseur) pour faire tendre le débit d'entrée Qe1 vers la valeur de consigne désirée de Qint,. Simultanément, on pilote l 'actionneur placé à la sortie du volume considéré (en général une vanne de régulation) de façon à assurer la valeur de consigne de la pression. Ainsi , une demande d' augmentation de puissance électrique se traduit par une augmentation des valeurs de consigne de débit et de pression auxquelles on cherche classiquement à répondre par une augmentation du débit en entrée Qe1 et par une diminution temporaire du débit en sortie Qs1 afin d'augmenter la valeur de la pression pour tendre vers la pression de consigne. Cette diminution temporaire du débit de sortie a pour effet de ralentir la dynamique de réponse de Qint, et de ce fait, également, la dynamique de réponse en puissance du module de puissance. L'écart entre la valeur du débit de consigne et la valeur du débit obtenue Qint, est important et met un temps relativement important, de l ' ordre de deux secondes, à être compensé. De plus, lorsqu ' une partie des gaz de sortie de la pile à combustible est valorisée par une turbine, la réduction temporaire du débit de sortie Qs1 implique une demande électrique supplémentaire pour assurer l' entraînement du compresseur alimentant l ' ensemble du système en air comprimé. Il en résulte une réduction de la puissance nette délivrée par le module de puissance.
Selon la présente invention, on utilise des moyens de commande capables de faire varier les débits de gaz à l 'entrée et à la sortie d' un volume considéré de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.
Selon la présente invention, on utilise la matière « stockée » dans les différents volumes du module de puissance pour augmenter la dynamique de réponse en puissance. A cet effet, on privilégie, dans une phase transitoire, l ' établissement des valeurs de débit de consigne au détriment du maintien des valeurs de consigne de pression.
La figure 2 illustre, à titre d' exemple et très schématiquement, un module de puissance référencé 5 qui comprend une pile à combustible 6, un dispositif de reformage 7. Le dispositif 7 comprend un reformeur 8, différents organes 9 de purification des gaz ri ches en hydrogène produits par le reformeur 8 et un brûleur 10, tous ces éléments étant grossièrement schématisés sur la figure 2, sans que l ' on ait représenté les différentes connexions qui existent entre eux. Un turbocompresseur 11 comprend un compresseur 12 et une turbine 13 montés sur le même arbre mécanique 14.
La pile à combustible 6 comprend, quant à elle, un compartiment anodique 15 et un compartiment cathodique 16 séparés par une membrane 17. Le compartiment anodique 15 est alimenté par la conduite 18 en gaz riche en hydrogène produit par le système de reformage 7. L' air frais amené par la conduite 19 est comprimé dans le compresseur 12 et peut ensuite alimenter, par la conduite 20, le compartiment cathodique 16 de la pile à combustible 6 ainsi que le reformeur 8 par la conduite 21. L'excès d ' hydrogène issu du compartiment anodique 15 est ramené par la conduite de retour 22 sur le brûleur 10 pour réchauffer les gaz amenés au reformeur 8. Une vanne de régulation 23 permet de piloter le débit de sortie du compartiment anodique 15 et donc la pression à l 'intérieur dudit compartiment. L' air non consommé par la réaction de la pile à combustible et issu du compartiment cathodique est ramené, quant à lui, par la conduite 24 sur la turbine 13 avant de s'échapper par la conduite 25. Une vanne de régulation 26 montée dans la conduite 24 permet de piloter le débit de sortie du compartiment cathodique 16 et donc la pression qui y règne.
Une partie de l ' air en excès véhiculé par la conduite de sortie 24 est également ramenée par la dérivation 27 sur le brûl eur 10 pour favoriser la combustion. Une vanne 28 montée dans la conduite 27 permet de réguler la quantité d' oxygène amenée sur le brûl eur 10. Des moyens de commande, symbolisés par une unité de contrôle électronique 29, notée UCV sur la figure 2, permettent notamment de piloter le fonctionnement du module de puissance 5.
La traction du véhicule est assurée par un moteur électri que 30, comportant une électronique de puissance associée 31. Une source auxiliaire de puissance, ici représentée sur la figure 2 sous la forme d'une batterie 32, permet de stocker et déstocker de l 'énergie électrique selon des modes de fonctionnement défini s par les moyens de commande 29. Les moyens de commande 29 pilotent également une interface électrique 33 pour assurer la demande d'énergie électrique exprimée par le conducteur 34 lors d' une action sur la pédale d' accélérateur 35 dont la position est détectée par un capteur de position 36. Les moyens de commande 29 reçoivent ainsi un signal correspondant à la demande de puissance par la connexion 37, des informations sur le fonctionnement des différents organes du module de puissance 5 par la connexion 38, des informations sur le niveau énergétique de la batterie 32 par la connexion 39. Les moyens de commande 29 peuvent agir sur l 'interface électrique 33 par la connexion 40. L' énergie électrique produite par la pile à combustible 6 est transférée par la connexion 41 à l ' interface électrique 33. Des échanges d ' énergie électrique peuvent intervenir entre l ' interface 33 et la batterie 32 par la connexion 42. L' électronique de commande 3 1 du moteur électrique 30 reçoit l 'énergie électrique par la connexi on 43 qui est reliée à l ' interface électrique 33. Enfin, l ' interface électrique 33 peut également alimenter en énergie électrique supplémentaire le turbocompresseur 1 1 par la connexion électrique 44.
Les moyens de commande 29 peuvent piloter également, par l ' intermédiaire de l ' interface électrique 33 et de la connexion 44, l e fonctionnement du compresseur 12, modifiant ainsi le débit à l ' entrée de la pile à combustible 6. Dans l ' exemple illustré, les moyens de commande 29 peuvent agir sur les débits en sortie de chacun des compartiments anodique 15 et cathodique 16 individuellement par la commande des vannes de régulation 23 et 26 connectées aux moyens de commande 29 par les connexions 45 et 46. La commande peut également être faite simultanément sur les deux compartiments 15 et
16.
Bien que l 'on ait illustré sur la figure 2 une alimentation en gaz riche en hydrogène produit par un système de reformage 7, on comprendra que dans une autre configuration, l ' hydrogène pourrait être directement fourni par un réservoir embarqué sur le véhicule.
Les différentes courbes des figures 3a à 3f illustrent un exemple de pilotage effectué par les moyens de commande 29 lors d' une brusque augmentation de la puissance électrique demandée.
Toutes les courbes comprennent en abscisses le temps en seconde et en ordonnées les différentes variables.
La figure 3a montre la valeur du débit de consigne Qc en moles/seconde lors d' un échelon de puissance demandée. A titre d'exemple, le débit de consigne passe de 0,5 à 3 moles/seconde.
La figure 3b illustre la variation correspondante du débit Qe en moles/seconde à l ' entrée d' un compartiment de la pile à combustible. On voit que le débit augmente assez rapidement pour dépasser la valeur de consi gne et revenir sur cette valeur au bout d ' environ 7 secondes.
La figure 3c illustre la valeur du débit Qs en moles/seconde en sortie telle qu 'elle est pilotée par l' unité de commande selon l 'invention. La valeur Qs augmente tout d'abord très rapidement, jusqu'à environ 2,5 moles/seconde dans l ' exemple illustré, puis plus lentement, jusqu' à atteindre progressivement la valeur de consi gne de 3 moles/seconde au bout d' environ 7 secondes.
La figure 3d illustre le pourcentage d ' erreurs entre le débit réalisé et le débit de consigne. On constate que le pourcentage d 'erreur est faible (à peine plus de 20%) et qu' il se résorbe très rapidement, en pratiquement 4 secondes, alors que dans un système de pilotage de type classique, une durée de 7 à 8 secondes était habituelle.
La figure 3e illustre la valeur de la pression de consigne Pc exprimée en hectopascals. On voit que l 'augmentation de la pression de consigne est pratiquement analogue à l 'augmentation du débit de consigne Qc illustrée sur la figure 3a.
La figure 3f illustre la variation de la pression effective P en hectopascals. Il apparaît sur la courbe de la figure 3f que la pression effective diminue tout d' abord légèrement pendant moins d ' une seconde en raison de l 'augmentation brutale du débit en sortie Qs commandée conformément à l ' invention. La pression P croît ensuite progressivement jusqu ' à atteindre la pression de consigne Pc.
Les différentes courbes des figures 4a à 4f illustrent un fonctionnement analogue lors d'une diminution brutale de la puissance demandée.
Comme c' était le cas pour les figures 3 a à 3f, les courbes des figures 4a à 4f sont toutes des courbes temporelles.
La figure 4a illustre la valeur du débit de consigne Qc qui diminue sous forme d' un échelon de manière brutale.
La figure 4b montre la variation correspondante commandée du débit à l 'entrée Qe montrant une diminution rapide suivie d' une augmentation pour atteindre la valeur de consigne Qc . La figure 4c montre que le système de l 'invention commande également une diminution brusque du débit en sortie Q5 suivie d 'une diminution plus lente pour atteindre le débit de consigne Qc.
La figure 4d illustre en pourcentage la valeur de l 'erreur ε entre le débit réalisé et le débit de consigne montrant une faible erreur de moins de 10% qui diminue très rapidement.
La figure 4e montre la valeur de la pression de consigne Pc qui suit pratiquement celle du débit de consigne Qc.
La figure 4f illustre les variations de la pression effective P qui montrent une légère augmentation initiale résultant de la diminution brutale du débit de sortie Q8 dans la première phase du pilotage. La pression effective revient ensuite progressivement vers la pression de consigne.
Selon la présente invention, on effectue ainsi une commande des débits en entrée et en sortie sur au moins un compartiment de la pile à combustible sans se préoccuper du maintien de la valeur de consigne de la pression, ce qui permet d' augmenter notablement la dynamique de réponse en puissance du système.
Dans le cas où la commande des débits est effectuée simultanément sur l 'ensemble des compartiments de la pile à combustible, on prend soin de mesurer la pression dans les compartiments anodique et cathodique de la pile à combustible au moyen de capteurs, non représentés sur les figures. Le pilotage de chacun des compartiments anodique et cathodique de la pile à combustible peut alors être fait de manière indépendante et simultanée tout en maintenant la différence de pression entre les deux compartiments inférieure à un seuil prédéterminé, supprimant ai nsi tout risque qui aurait pu résulter d'une baisse de pression dans un seul des compartiments de la pile à combustible.

Claims

REVENDICATIONS
1 -Module de puissance pour générer de l'énergie électrique destinée à alimenter un moteur électrique de traction de véhicule automobile (30), du type comprenant un système de pile à combustible (6) présentant un compartiment anodique (15) alimenté en gaz riche en hydrogène et un compartiment cathodique (16) alimenté en air comprimé par un compresseur (12), des moyens de régulation (23 , 26) du débit de sortie d'au moins un flux de gaz issu de la pile à combustible et des moyens de commande (29) capables d' agir sur le compresseur (12) et sur les moyens de régulation (23 , 26) du débit de sortie, caractérisé par le fait que les moyens de commande (29) sont capables, en cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, de faire varier le débit de gaz à l' entrée et à la sortie d' au moins un compartiment de la pile à combustible (6), dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.
2-Module de puissance selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que les moyens de commande comprennent un dispositif régulateur (12) du débit de gaz à l'entrée de la pile à combustible pour faire varier le débit de gaz à l'entrée en fonction d'une variation transitoire rapide de la puissance demandée, lesdits moyens de commande étant capables, simultanément, de commander une variation du débit de gaz à la sortie de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.
3-Module de puissance selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de commande sont capables, en cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, de commander, dans une première phase, une variation rapide du débit de gaz à la sortie de la pile à combustible, dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée, puis, dans une deuxième phase, une variation plus lente du débit de gaz à la sortie de la pile à combustible, toujours dans le même sens, jusqu' à atteindre une valeur de consigne correspondant à la puissance demandée. 4-Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens de régulation des débits de sortie des gaz issus de la pile à combustible comprennent des vannes de régulation (23 , 26) commandées par les moyens de commande (29) et montées sur des conduites de sortie des gaz issus des compartiments de la pile à combustible (6).
5-Module de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour mesurer la différence de pression entre les compartiments anodique et cathodique de la pile à combustible et que les moyens de commande sont capables de maintenir cette différence de pression au dessous d'un seuil prédéterminé.
6-Procédé de régulation d'un module de puissance (5) fournissant de l' énergie électrique à un moteur électrique de traction de véhicule automobile, du type comprenant un système de pile à combustible (6) dans lequel on régule le débit de sortie d'au moins un flux de gaz issu de la pile à combustible, caractérisé par le fait qu' en cas de variation transitoire rapide de la puissance demandée, on fait varier le débit de gaz à l' entrée et à la sortie d' au moins un compartiment de la pile à combustible (6), dans le même sens que le sens de variation de la puissance demandée.
7-Procédé de régulation selon la revendications 6, caractérisé par le fait qu'en cas d'augmentation transitoire rapide de la puissance demandée, on augmente à la fois le débit d'entrée et le débit de sortie du compartiment anodique (15) et/ou du compartiment cathodique (16) de la pile à combustible (6). 8-Procédé de régulation selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'on augmente à la fois le débit d'entrée et le débit de sortie du compartiment anodique (15) et du compartiment cathodique (16) de la pile à combustible (6) et qu'on maintient la différence de pression entre les deux compartiments, inférieure à un seuil prédéterminé.
9-Procédé de régulation selon les revendications 7 ou 8 adapté à un module de puissance comprenant un groupe turbocompresseur (11) pour l'alimentation en air comprimé de la pile à combustible, caractérisé par le fait que la quantité de gaz excédentaire résultant de l'augmentation des débits est amenée à l'entrée de la turbine (13) du groupe turbocompresseur.
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