WO2010072933A1 - Dispositif et procede de refroidissement d'un organe thermique de vehicule automobile - Google Patents

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WO2010072933A1
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cooling circuit
inlet
heat
transfer fluid
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PCT/FR2009/052305
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Fehd Ben-Aicha
Karim Bencherif
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Renault S.A.S.
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    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/165—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control characterised by systems with two or more loops
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to thermal devices for a motor vehicle and, more particularly, the cooling devices for such bodies.
  • a particularly advantageous application of the invention relates to the cooling of fuel cell systems, especially those comprising an integrated reforming device for producing hydrogen for the cell.
  • Fuel cells are indeed intended to produce electrical energy from an oxidation reaction of hydrogen at the anode and a reduction reaction of oxygen at the cathode.
  • the global reaction is written:
  • the amount of heat generated by the chemical reactions is significant. It is of the order of 60 kW for a battery having a power of the order of 75 kW.
  • the nominal operating temperature level of the fuel cell system is relatively low, which makes the thermal regulation of the system relatively difficult to achieve.
  • water is one of the main reagents of the reactions implemented in the reformer.
  • condensers and separators are distributed along the path of the rejects of the power module, in order to recover, by cooling, the water produced by the fuel cell.
  • this further increases the amount of heat to be evacuated.
  • it is estimated that about one-third of the energy to be dissipated by the cooling system.
  • it is also necessary to cool the engine oil, as well as auxiliary circuits such as electrical ones.
  • Cooling circuits are for example described in applications GB 2 409 763 and US 2005/0227125.
  • Conventional cooling devices for a fuel cell or internal combustion engine of a motor vehicle may comprise two cooling circuits, namely a main cooling circuit for cooling the battery or the internal combustion engine, and a secondary cooling circuit in heat exchange relationship with the main cooling circuit via a heat exchanger.
  • the secondary cooling circuit comprises other heat exchangers in order to evacuate the thermal energy recovered from the traction system or to provide thermal energy.
  • the management of different thermal energy exchanges requires the use of many temperature sensors.
  • the object of the invention is therefore to overcome this disadvantage.
  • Another object of the invention is to provide a cooling device for a motor vehicle thermal member also for diagnosing possible failures.
  • a cooling device for a thermal element in particular used in a traction system of a motor vehicle, comprising a main cooling circuit able to regulate the temperature of the thermal organ, a secondary cooling circuit comprising a first set of at least two heat exchangers connected in parallel, and a thermal coupling means between the main cooling circuit and the secondary cooling circuit.
  • the cooling device further comprises a temperature sensor connected in series on the secondary cooling circuit and downstream of the first set, and a control unit comprising a first means capable of estimating with a state observer, for example a high-gain state observer, the outlet temperature of each heat exchanger of the first set from the inlet coolant inlet temperature of each heat exchanger of the first set and the quantities measured by the temperature sensor .
  • a state observer for example a high-gain state observer
  • the secondary cooling circuit may comprise a bypass, one end of which is mounted downstream of the temperature sensor and upstream of the thermal contact means, and the other end of which is mounted downstream of the first together heat exchangers and upstream of the temperature sensor, the bypass comprising a second set of at least two heat exchangers connected in parallel.
  • the first means may also be able to estimate with a state observer, for example a high-gain state observer, the output temperature of each heat exchanger of the second set from the temperature. input of the coolant at the inlet of each heat exchanger of the second set and the quantities measured by the temperature sensor.
  • a state observer for example a high-gain state observer
  • the first means of the electronic control unit can be used both to determine the output temperatures of the heat exchangers of the first set and the second set.
  • the secondary cooling circuit may further comprise first and second radiators respectively associated with the first and second sets of exchangers.
  • the cooling device may further comprise adjustable means for short-circuiting the first and second radiators and the control unit may also comprise a third means for controlling the adjustable means for short-circuiting the first and second radiators .
  • the control unit comprises a second means capable of determining the inlet heat transfer fluid inlet temperature of each heat exchanger, from the quantities measured by the temperature sensor.
  • the second means can determine the temperature of the heat transfer fluid at the inlet of each exchanger, which makes it possible to reduce the number of temperature in the device.
  • the cooling device may further comprise temperature sensors capable of measuring the inlet heat transfer fluid inlet temperature of each set of heat exchangers
  • the control may comprise a fourth means capable of monitoring the flow of heat transfer fluid flowing in the first and second radiators, from the quantities measured by the temperature sensors.
  • the operating equations of the heat exchangers are no longer used to determine the temperature of the heat transfer fluid at the inlet of the heat exchangers, but are used to evaluate the flow rate of the heat exchangers. heat transfer fluid circulating in the radiators, and thus to diagnose a failure.
  • the thermal member comprises a fuel cell and the thermal contact means is a heat exchanger disposed between the main cooling circuit and the secondary cooling circuit.
  • the second set of exchangers can make it possible to regulate the temperature of the gases leaving the fuel cell and the third means is capable of controlling the adjustable means to short-circuit the second radiator, depending on the water balance. consumed by the fuel cell and recovered by the cooling device.
  • the subject of the invention is also, according to a second aspect, a method of controlling a cooling device of a thermal element, in particular used in a traction system of a motor vehicle, comprising a main cooling circuit able to regulate the temperature of the thermal member, a secondary cooling circuit comprising a first set of at least two heat exchangers connected in parallel, and a thermal coupling means between the main cooling circuit and the secondary cooling circuit.
  • a cooling device of a thermal element in particular used in a traction system of a motor vehicle, comprising a main cooling circuit able to regulate the temperature of the thermal member, a secondary cooling circuit comprising a first set of at least two heat exchangers connected in parallel, and a thermal coupling means between the main cooling circuit and the secondary cooling circuit.
  • the temperature of the heat transfer fluid is measured downstream of the first set of heat exchangers
  • the temperature of the heat transfer fluid of the secondary circuit at the inlet of the heat exchangers is determined
  • the output temperature of each of the heat exchangers is estimated with a state observer, for example a high gain state observer, from the heat transfer fluid input temperature at the inlet of the heat exchangers and the measured temperature of the coolant.
  • a state observer for example a high gain state observer
  • FIG. 1 illustrates the general architecture of a thermal body and its cooling device
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the architecture of the means for determining the temperature at different points of the secondary circuit of the cooling device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the implementation of the method for monitoring the secondary cooling circuit according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows the general architecture of a first embodiment of a cooling device 1 according to the invention and capable, on the one hand, of efficiently cooling a thermal device, for example the system traction of the motor vehicle, and secondly, to provide or recover thermal energy to different elements or fluids circulating in the vehicle.
  • the cooling device 1 visible in FIG. 1 comprises in this respect a main circuit 2 and a secondary circuit 3.
  • the thermal unit 4 of the motor vehicle is placed on the main circuit 2.
  • the cooling device 1 is further provided with a heat exchanger 5 providing a thermal coupling between the main circuit 2 and the secondary circuit 3.
  • the main circuit 2 essentially comprises a loop in which circulates a coolant, on which is placed the heat exchanger 5 and the thermal member 4.
  • the main circuit 2 also comprises a pump 6 to make circulating the coolant, and a temperature sensor 7 capable of measuring the temperature T1 of the coolant of the main circuit 2 downstream of the thermal member 4.
  • the secondary circuit 3 for its part, comprises a loop also containing a heat transfer fluid and thermally coupled to the loop of the main circuit 2 via the exchanger 5.
  • the first radiator 8 is a radiator at high temperature and is placed downstream of the exchanger 5.
  • the first radiator 8 serves in particular to evacuate the heat energy taken by the heat exchanger. heat 5 on the coolant circulating in the loop of the main circuit 2.
  • the loop of the secondary circuit 3 also comprises, downstream of the first radiator 8, a first set 9 of heat exchangers 10, 11 arranged in parallel and providing regulation of elements or fluids circulating in the motor vehicle.
  • the secondary circuit 3 finally comprises a pump 12 and is looped back onto the inlet of the heat exchanger 5.
  • the pump 12 circulates the heat transfer fluid of the secondary circuit 3.
  • a temperature sensor 13 capable to measure the temperature of the coolant of the secondary circuit 3 is mounted upstream of the pump 12 and downstream of the first assembly 9.
  • the secondary circuit 3 further comprises a bypass 14 used to cool other elements or fluids circulating in the vehicle.
  • the inlet of the bypass 14 is mounted upstream of the heat exchanger 5 and downstream of the pump 12, while the outlet of the bypass 14 is mounted downstream of the first assembly 9 and upstream of the temperature sensor 13. .
  • the branch 14 comprises a second radiator 15.
  • the second radiator 15 is a radiator at low temperature.
  • the heat transfer fluid circulating in the second radiator 15 has not passed through the heat exchanger 5: the second radiator thus makes it possible to recover thermal energy from other elements or fluids of the motor vehicle.
  • the branch 14 also comprises, downstream of the second radiator 15, a second set 16 of heat exchangers 17, 18 arranged in parallel and ensuring the regulation of elements or fluids circulating in the motor vehicle.
  • the first and second radiators 8, 15 are provided with first and second adjustable means respectively arranged in parallel with the first and second radiators 8, 15 in order to short-circuit them. More particularly, these first and second adjustable means respectively comprise a first valve 19 mounted on a first bypass line 20, and a second valve 21 mounted on a second bypass line 22.
  • the heat exchanger 5, in particular at the level of the secondary circuit 3, is provided with a third adjustable means for short-circuiting the heat exchanger 5.
  • the third adjustable means is constituted by a third valve 23 mounted on a third pipe of derivation 24.
  • the third valve 23 and the third bypass line 24 on which it is mounted are used in order to allow the decoupling of the control of the main circuit 2 from that of the secondary circuit 3. More particularly, the third adjustable means makes it possible to regulate the temperature of the the thermal organ 4 without being disturbed by the secondary circuit 3.
  • first and second valves 19, 21, as well as the first and second bypass lines 20 and 22 on which they are mounted are used to control the temperature of the heat exchangers 10, 11, 17, 18.
  • the exchangers 10, 11, 17, 18 will allow to regulate the temperature of different elements or fluids.
  • the thermal unit 4 of the motor vehicle comprises an internal combustion engine
  • the exchangers 10, 11 can be used to regulate, for example, the temperature of the automatic gearbox or the temperature of the engine oil
  • the exchangers 17, 18 may be used to regulate the temperature of the power electronics or the temperature of an air circuit.
  • the exchangers 10, 11 can be used to regulate the temperature of the gas supplying the fuel cell, in particular for heating the input gases of the cell. fuel so that they have a temperature close to that of operation of the fuel cell.
  • the exchangers 17, 18 may be used for their part, for cooling the exhaust gases, or for rejecting, the fuel cell and thus recovering the water produced by the fuel cell and present in the form of steam in the exit gases.
  • the thermal device 4 comprises a fuel cell.
  • the electronic control unit 25 receives, as input, measurement signals from the main elements of the cooling device 1.
  • the electronic control unit 25 receives a signal T1 from the temperature sensor 7 which measures the temperature of the coolant in output of the thermal member, and a signal T2 of the temperature sensor 13 which measures the temperature of the coolant of the secondary circuit 3, downstream of the first and second sets 9, 16.
  • the control unit also receives other signals from elements external to the cooling device 1, for example signals indicating the temperature of other elements or fluids circulating in the motor vehicle and not shown.
  • the signals T1, T2 are delivered to a second means 26 which makes it possible to determine, from said signals T1 and T2, and other signals coming from external elements, the temperature of the heat transfer fluid at the inlet of the first set 9 and the second set 16, that is to say the temperature of the coolant at the inlet of each heat exchanger 10, 11, 17 and 18.
  • the second means 26 assumes that the temperature of the heat transfer fluid of the secondary circuit 3 remains approximately constant between the inlet and the outlet of the pump 12.
  • the second means 26 firstly determines the temperature of the coolant at the outlet of the exchanger 5. It uses for this purpose the signals T2 and T1, as well as the equations the model of the exchanger 5 in static.
  • the second means 26 can thus deduce the temperature of the fluid at the outlet of the exchanger 5.
  • the second means 26 determines the temperature of the fluid at the outlet of the first radiator 8, in particular from the mappings of the first radiator 8 and the inlet and outlet temperatures of the second fluid.
  • the second means 26 can thus output the temperature of the coolant at the inlet of the first set 9. More particularly, the second means 26 can use a model (1) of the type: in which :
  • T ° " ⁇ represents the temperature of the coolant at the outlet of the radiator 8;
  • T ⁇ represents the temperature of the heat transfer fluid at the inlet of the radiator 8 which is determined by the second means 26 as a function of the equations of the model of the exchanger 5 in static mode;
  • T TM is the temperature of the air entering the radiator 8
  • T ° r u ⁇ is the temperature of the air leaving the radiator 8.
  • the second means 26 determines the temperature of the fluid at the outlet of the second radiator 15, in particular from the maps of the second radiator 15 (similarly to the first radiator 8). The second means 26 can thus output the temperature of the coolant at the inlet of the second assembly 16.
  • the signals determined by the second means 26 are then transmitted to the first means 27. This also receives the signals T2 from the temperature sensor 13.
  • the first means 27 makes it possible to estimate the exit temperature of the heat transfer fluid circulating in each heat exchanger 10, 11, 17 and 18.
  • the second means 27 uses the dynamic equations of the heat exchangers which are written in the following vector form:
  • Tf cl represents the temperature of the coolant circulating in the exchanger i
  • T g1 represents the temperature of the gas that circulates in the exchanger i and whose temperature is regulated by the exchanger i
  • T pi represents the temperature of the walls the exchanger i
  • T 1 represents the variation with respect to time of the temperature vector T 1 ;
  • T ⁇ 1 and T ° " ⁇ represent respectively the inlet and outlet temperatures of the coolant circulating in the exchanger i;
  • a 1 and B 1 represent characteristic matrices of the exchanger i and dependent on the flow rate of the gas flowing in the exchanger i and whose temperature is regulated by the exchanger i;
  • ⁇ depends on the flow rate of the gas flowing in the exchanger i and whose temperature is regulated by the exchanger i;
  • U 1 represents the flow rate of the coolant circulating in the heat exchanger
  • the temperatures T and T TM l0 ⁇ n input of the heat transfer fluid in the exchangers 10 and 11 are equal to the temperature T ° c ⁇ % of the heat transfer fluid outlet of the radiator 8, T £ " ⁇ being determined by the second means 26.
  • heat transfer fluids circulating outlet temperatures in different heat exchangers are connected by the formula: / cl ⁇ - i / cl ⁇ + 1 J-JCW ' the FCU + "fc ⁇ 's l k ⁇ l + ⁇ FDS' ⁇ SDS. ..
  • T ° " ⁇ and Q fci respectively represent the outlet temperature and the output flow rate of the coolant circulating in the exchanger i.
  • the state observer makes it possible to estimate, from the model of a heat exchanger, the temperature vector T 1 of the exchanger i, and in particular the outlet temperature T " ⁇ of the fluid
  • the first means 27 can correct the model and thus refine the value of the estimated temperature vector T 1 .
  • the temperatures estimated by the first means 27 are then delivered to a third means 28 capable of controlling the valves 19, 21 and 23 of the different adjustable short-circuit means, in particular by calculating the percentages of openings ⁇ 19, ⁇ 21 of said valves.
  • the signals ⁇ l9, ⁇ 21 make it possible to control the fraction of flow that must pass through the radiators 8 and 15 respectively.
  • the third means 28 makes it possible to adapt the circulation of the coolant in the secondary circuit 3 in order to improve the heat exchange.
  • the third means 28 can also be used to control the water balance, in particular by determining the water recovered by the exchangers 17, 18 in the fuel cell discharge gas.
  • T / N (gas) is the temperature of the gases entering the exchanger i;
  • Tj (gas) is the average temperature of the gases at the exchanger i;
  • the flow rate Q 2 of water consumed by the reformer can be calculated by the formula:
  • - Nceii is the number of cells in the fuel cell; ⁇ is the reformer yield;
  • the S / C ratio represents the throughput of the overflow of carbon
  • I is the electric current delivered by the fuel cell
  • Ra is anodic stoichiometry
  • PCIfoei represents the lower heating value of the fuel entering the reformer
  • PCI H2 represents the lower calorific value of the hydrogen leaving the reformer; x is the proportion of carbon in the fuel supplying the reformer (of formula C x H y O z ).
  • the calculation of B thus makes it possible to avoid adding an additional sensor to detect the water level downstream of the reformer.
  • the value of B with a predefined threshold, it is also possible to make a diagnosis on the water consumption of the fuel cell and on the capacity of the water tank.
  • the cooling device may also comprise two additional temperature sensors capable of measuring the temperature of the coolant in input of the first set 9 and input of the second set 16.
  • the electronic control unit 25 no longer includes second means 26 for determining the temperature of the heat transfer fluid at the inlet of the first set 9 and the second set 16: the first means 27 directly receives the quantities measured by the temperature sensor 13 and the temperature sensors of the heat transfer fluid at the inlet of the first and second sets.
  • the electronic control unit may also include a fourth means (not shown) for diagnosing a failure of an adjustable valve. More particularly, the fourth means uses the models of the radiators 8, 15 and / or the model of the heat exchanger 5 to determine the flow rate of the coolant passing through said radiator 8, 15 or heat exchanger 5, and thus to diagnose, by comparison with the signals ⁇ 19, ⁇ 21, ⁇ 23 for controlling the valves 19, 21, 23, a possible failure of one of said valves 19, 21, 23.
  • the total flow rate Q & of the coolant in the secondary circuit 3 is:
  • the fourth means can implement a method of monitoring the cooling circuit.
  • the process begins with a step 29 for determining the flows Q & 5, Q & 8 and / or Qfcl5 of heat transfer fluid respectively supplying the heat exchanger 5, the radiator 8 and / or the radiator 15.
  • the fourth The average calculates the distance defined above, then compares the value obtained with a threshold value S 1 stored or determined according to operating parameters of the fuel cell.
  • step 31 the process continues with a step 31 during which the temperature T1 of the coolant circulating in the main circuit 2 is compared with a threshold value S 2 . If the temperature T1 is greater than the threshold S 2 , then the cooling device does not make it possible to properly evacuate the heat released by the thermal organ and the vehicle can be stopped during a step 32. If the value T1 is lower at the threshold S 2 , an alarm signal can be triggered and the process resumes in step 29. If the difference is less than or equal to the threshold value S 1 , then the flow flowing in the heat exchanger 5 corresponds to the set value ⁇ 23 and there is no significant leak or failure in the third adjustable means. The process continues with a step 33.
  • the fourth means calculates the distances es and / or eis defined previously, then compares respectively the value or values obtained at the threshold value (s) S s and S 15 stored or determined according to operating parameters of the Fuel cell.
  • the electronic control unit 25 it is possible to control and possibly reconfigure the control of the cooling device 1, while limiting the number of sensors within it.

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Abstract

Le dispositif de refroidissement 1 comprend un circuit de refroidissement principal 2 apte à réguler la température d'un organe thermique 4, un circuit de refroidissement secondaire 3 comprenant un premier ensemble 9 d'au moins deux échangeurs de chaleur (10, 11) montés en parallèle, et un moyen de couplage thermique 5 entre le circuit de refroidissement principal 2 et le circuit de refroidissement secondaire 3. Le dispositif de refroidissement 1 comporte en outre un capteur de température 13 monté en série sur le circuit de refroidissement secondaire 3 et en aval du premier ensemble 9, et une unité de contrôle comprenant un premier moyen capable d'estimer avec un observateur d'état, la température de sortie de chaque échangeur de chaleur du premier ensemble à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur du premier ensemble et des grandeurs mesurées par le capteur de température 13.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE REFROIDISSEMENT D'UN ORGANE THERMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE
L'invention concerne les organes thermiques pour véhicule automobile et, plus particulièrement, les dispositifs de refroidissement pour de tels organes.
Une application particulièrement intéressante de l'invention concerne le refroidissement des systèmes de pile à combustible, notamment ceux comprenant un dispositif de reformage intégré servant à produire de l'hydrogène pour la pile.
Les piles à combustibles sont en effet destinées à produire de l'énergie électrique à partir d'une réaction d'oxydation de l'hydrogène à l'anode et d'une réaction de réduction de l'oxygène à la cathode. La réaction globale s'écrit :
-O7 + H9 → H7O + Electricité + Chaleur.
2
Ainsi, dans un système de pile à combustible, de l'énergie chimique est transformée en énergie électrique. Les réactions mises en œuvre au sein de la pile produisent en outre de la chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer afin d'assurer le bon fonctionnement de la pile, d'augmenter sa durée de vie et d'améliorer le rendement global du système.
Dans un système de pile à combustible pourvu d'un reformeur embarqué, la quantité de chaleur dégagée par les réactions chimiques est importante. Elle est de l'ordre de 60 kW pour une pile ayant une puissance de l'ordre de 75 kW. Le niveau de température de fonctionnement nominal du système de pile à combustible est relativement bas, ce qui rend la régulation thermique du système relativement difficile à réaliser.
Par ailleurs, l'eau constitue l'un des réactifs principaux des réactions mises en œuvre dans le reformeur. Pour fournir la quantité d'eau nécessaire, des condenseurs et des séparateurs sont répartis le long du trajet des gaz de rejet du module de puissance, afin de récupérer, par refroidissement, l'eau produite par la pile à combustible. Cependant, cela augmente encore la quantité de chaleur à évacuer. En ce qui concerne les moteurs à combustion interne, on estime à environ un tiers l'énergie devant être dissipée par le circuit de refroidissement. En outre, il est également nécessaire de refroidir l'huile du moteur, ainsi que des circuits annexes tels que ceux électriques.
Des circuits de refroidissement sont par exemple décrits dans les demandes GB 2 409 763 et US 2005/0227125. Les dispositifs conventionnels de refroidissement pour pile à combustible ou moteur à combustion interne de véhicule automobile peuvent comprendre deux circuits de refroidissement, à savoir un circuit de refroidissement principal servant à refroidir la pile ou le moteur à combustion interne, et un circuit de refroidissement secondaire en relation d'échange thermique avec le circuit de refroidissement principal par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur.
Dans ce type de dispositif de refroidissement, le circuit de refroidissement secondaire comprend d'autres échangeurs thermiques afin d'évacuer l'énergie thermique récupérée du système de traction ou bien pour apporter de l'énergie thermique. Toutefois, la gestion des différents échanges d'énergie thermique nécessite l'utilisation de nombreux capteurs de température.
Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de refroidissement pour organe thermique de véhicule automobile permettant également de diagnostiquer d'éventuelles pannes.
L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un dispositif de refroidissement pour un organe thermique, notamment utilisé dans un système de traction de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement principal apte à réguler la température de l'organe thermique, un circuit de refroidissement secondaire comprenant un premier ensemble d'au moins deux échangeurs de chaleur montés en parallèle, et un moyen de couplage thermique entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire. Le dispositif de refroidissement comporte en outre un capteur de température monté en série sur le circuit de refroidissement secondaire et en aval du premier ensemble, et une unité de contrôle comprenant un premier moyen capable d'estimer avec un observateur d'état, par exemple un observateur d'état à grand gain, la température de sortie de chaque échangeur de chaleur du premier ensemble à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur du premier ensemble et des grandeurs mesurées par le capteur de température.
On peut ainsi déterminer la température en différents points du dispositif de refroidissement, et en particulier au niveau des échangeurs de chaleur du premier ensemble, tout en limitant le nombre de capteurs au sein du dispositif.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de refroidissement secondaire peut comprendre une dérivation dont une extrémité est montée en aval du capteur de température et en amont du moyen de contact thermique, et dont l'autre extrémité est montée en aval du premier ensemble d'échangeurs de chaleur et en amont du capteur de température, la dérivation comprenant un deuxième ensemble d'au moins deux échangeurs de chaleur montés en parallèle.
Dans ce cas, le premier moyen peut être en outre capable d'estimer avec un observateur d'état, par exemple un observateur d'état à grand gain, la température de sortie de chaque échangeur de chaleur du deuxième ensemble à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur du deuxième ensemble et des grandeurs mesurées par le capteur de température. Ainsi, le premier moyen de l'unité de contrôle électronique peut être utilisé à la fois pour déterminer les températures de sortie des échangeurs de chaleur du premier ensemble et du deuxième ensemble.
Le circuit de refroidissement secondaire peut comprendre en outre des premier et deuxième radiateurs associés respectivement aux premier et deuxième ensembles d'échangeurs.
Dans ce cas, le dispositif de refroidissement peut comporter en outre des moyens réglables pour court-circuiter les premier et deuxième radiateurs et l'unité de contrôle peut comprendre également un troisième moyen pour piloter les moyens réglables pour court-circuiter les premier et deuxième radiateurs. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'unité de contrôle comprend un deuxième moyen capable de déterminer la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur, à partir des grandeurs mesurées par le capteur de température.
En particulier, à partir des équations de fonctionnement des échangeurs de chaleur, et à partir d'autres grandeurs du système, le deuxième moyen peut déterminer la température du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur, ce qui permet de diminuer le nombre de capteurs de température dans le dispositif.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de refroidissement peut comprendre en outre des capteurs de température capables de mesurer la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque ensemble d'échangeurs de chaleur, et l'unité de contrôle peut comprendre un quatrième moyen capable de surveiller le débit de fluide caloporteur circulant dans les premier et deuxième radiateurs, à partir des grandeurs mesurées par les capteurs de température. Dans ce cas, les équations de fonctionnement des échangeurs de chaleur ne sont plus utilisées pour déterminer la température du fluide caloporteur en entrée des échangeurs de chaleur, mais sont utilisées pour évaluer le débit de fluide caloporteur circulant dans les radiateurs, et permettre ainsi de diagnostiquer une panne.
Dans un mode de réalisation, l'organe thermique comprend une pile à combustible et le moyen de contact thermique est un échangeur de chaleur disposé entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire.
Dans ce cas, le deuxième ensemble d'échangeurs peut permettre de réguler la température des gaz en sortie de la pile à combustible et le troisième moyen est capable de piloter les moyens réglables pour court-circuiter le deuxième radiateur, selon le bilan d'eau consommé par la pile à combustible et récupérée par le dispositif de refroidissement.
L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de commande d'un dispositif de refroidissement d'un organe thermique, notamment utilisé dans un système de traction de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement principal apte à réguler la température de l'organe thermique, un circuit de refroidissement secondaire comprenant un premier ensemble d'au moins deux échangeurs de chaleur montés en parallèle, et un moyen de couplage thermique entre le circuit de refroidissement principal et le circuit de refroidissement secondaire. En particulier, selon le procédé : - on mesure la température du fluide caloporteur en aval du premier ensemble d'échangeurs de chaleur,
- on détermine la température du fluide caloporteur du circuit secondaire en entrée des échangeurs de chaleur, et
- on estime avec un observateur d'état, par exemple un observateur d'état à grand gain, la température de sortie de chacun des échangeurs de chaleur, à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée des échangeurs de chaleur et de la température mesurée du fluide caloporteur.
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 aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 illustre l'architecture générale d'un organe thermique et de son dispositif de refroidissement ;
- la figure 2 est un schéma synoptique illustrant l'architecture des moyens de détermination de la température en différents points du circuit secondaire du dispositif de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma illustrant la mise en œuvre du procédé de surveillance du circuit de refroidissement secondaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 1, l'architecture générale d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de refroidissement 1 conforme à l'invention et capable, d'une part, de refroidir efficacement un organe thermique, par exemple le système de traction du véhicule automobile, et d'autre part, d'apporter ou de récupérer de l'énergie thermique à différents éléments ou fluides circulant dans le véhicule. Le dispositif de refroidissement 1 visible sur la figure 1 comporte à cet égard un circuit principal 2 et un circuit secondaire 3. En particulier, l'organe thermique 4 du véhicule automobile est placé sur le circuit principal 2.
Le dispositif de refroidissement 1 est en outre pourvu d'un échangeur de chaleur 5 assurant un couplage thermique entre le circuit principal 2 et le circuit secondaire 3.
En ce qui concerne le circuit principal 2, celui-ci comporte essentiellement une boucle dans laquelle circule un fluide caloporteur, sur laquelle est placé l'échangeur 5 et l'organe thermique 4. Le circuit principal 2 comprend également une pompe 6 permettant de faire circuler le fluide caloporteur, et un capteur de température 7 capable de mesurer la température Tl du fluide caloporteur du circuit principal 2 en aval de l'organe thermique 4.
Le circuit secondaire 3, quant à lui, comporte une boucle contenant également un fluide caloporteur et couplée thermiquement à la boucle du circuit principal 2 par l'intermédiaire de l'échangeur 5. En considérant la circulation du fluide caloporteur dans la boucle du circuit secondaire 3, celle-ci comporte un premier radiateur 8. Le premier radiateur 8 est un radiateur à haute température et est placé en aval de l'échangeur 5. Le premier radiateur 8 sert notamment à évacuer l'énergie thermique prélevée par l'échangeur de chaleur 5 sur le liquide caloporteur circulant dans la boucle du circuit principal 2. La boucle du circuit secondaire 3 comprend également, en aval du premier radiateur 8, un premier ensemble 9 d'échangeurs de chaleur 10, 11 disposés en parallèle et assurant la régulation d'éléments ou de fluides circulant dans le véhicule automobile.
Le circuit secondaire 3 comprend enfin une pompe 12 et est rebouclé sur l'entrée de l'échangeur de chaleur 5. La pompe 12 permet de faire circuler le fluide caloporteur du circuit secondaire 3. Un capteur de température 13 capable de mesurer la température du fluide caloporteur du circuit secondaire 3 est monté en amont de la pompe 12 et en aval du premier ensemble 9.
Le circuit secondaire 3 comporte par ailleurs une dérivation 14 utilisée pour refroidir d'autres éléments ou fluides circulant dans le véhicule. L'entrée de la dérivation 14 est montée en amont de l'échangeur de chaleur 5 et en aval de la pompe 12, tandis que la sortie de la dérivation 14 est montée en aval du premier ensemble 9 et en amont du capteur de température 13.
La dérivation 14 comporte un deuxième radiateur 15. Le deuxième radiateur 15 est un radiateur à basse température. En particulier, le fluide caloporteur circulant dans le deuxième radiateur 15 n'a pas traversé l'échangeur de chaleur 5 : le deuxième radiateur permet donc de récupérer de l'énergie thermique d'autres éléments ou fluides du véhicule automobile. La dérivation 14 comprend également, en aval du deuxième radiateur 15, un deuxième ensemble 16 d'échangeurs de chaleur 17, 18 disposés en parallèle et assurant la régulation d'éléments ou de fluides circulant dans le véhicule automobile.
Les premier et deuxième radiateurs 8, 15 sont pourvus de premier et deuxième moyens réglables disposés respectivement en parallèle des premier et deuxième radiateurs 8, 15 afin de les court-circuiter. Plus particulièrement, ces premier et deuxième moyens réglables comprennent respectivement une première vanne 19 montée sur une première conduite de dérivation 20, et une deuxième vanne 21 montée sur une deuxième conduite de dérivation 22.
L'échangeur de chaleur 5, en particulier au niveau du circuit secondaire 3, est pourvu d'un troisième moyen réglable pour court-circuiter l'échangeur 5. Le troisième moyen réglable est constitué par une troisième vanne 23 montée sur une troisième conduite de dérivation 24.
La troisième vanne 23 et la troisième conduite de dérivation 24 sur laquelle elle est montée, sont utilisées afin de permettre le découplage du contrôle du circuit principal 2 de celui du circuit secondaire 3. Plus particulièrement, le troisième moyen réglable permet de réguler la température de l'organe thermique 4 sans être perturbé par le circuit secondaire 3.
Par ailleurs, les première et deuxième vannes 19, 21, ainsi que les première et deuxième conduites de dérivation 20 et 22 sur lesquelles elles sont montées, sont utilisées pour asservir la température des échangeurs de chaleurs 10, 11, 17, 18. Selon le type de l'organe thermique 4 du véhicule automobile, les échangeurs 10, 11, 17, 18 vont permettre de réguler la température d'éléments ou de fluides différents. Ainsi, lorsque l'organe thermique 4 du véhicule automobile comprend un moteur à combustion interne, les échangeurs 10, 11 peuvent être utilisés pour réguler, par exemple, la température de la boîte de vitesse automatique ou la température de l'huile du moteur, tandis que les échangeurs 17, 18 peuvent être utilisés pour réguler la température de l'électronique de puissance ou la température d'un circuit d'air.
Dans le cas où l'organe thermique 4 du véhicule automobile comprend une pile à combustible, les échangeurs 10, 11 peuvent être utilisés pour réguler la température des gaz alimentant la pile à combustible, en particulier pour chauffer les gaz d'entrée de la pile à combustible de manière à ce qu'ils présentent une température proche de celle de fonctionnement de la pile à combustible. Par ailleurs, les échangeurs 17, 18 peuvent être utilisés quant à eux, pour refroidir les gaz de sortie, ou de rejet, de la pile à combustible et ainsi récupérer l'eau produite par la pile à combustible et présente sous forme de vapeur dans les gaz de sortie. Ainsi, la condensation de l'eau produite par la pile à combustible et contenue dans les gaz de rejet permet d'obtenir un bilan d'eau au niveau du véhicule automobile plus avantageux.
On considère, dans la suite de la description, que l'organe thermique 4 comprend une pile à combustible. Le dispositif de refroidissement 1, et en particulier les vannes 19, 21 et
23, sont contrôlées par une unité de contrôle électronique embarquée 25, dont la structure générale est illustrée à la figure 2.
L'unité de contrôle électronique 25 reçoit, en entrée, des signaux de mesure des principaux éléments du dispositif de refroidissement 1. Ainsi l'unité de contrôle électronique 25 reçoit un signal Tl du capteur de température 7 qui mesure la température du fluide caloporteur en sortie de l'organe thermique, et un signal T2 du capteur de température 13 qui mesure la température du fluide caloporteur du circuit secondaire 3, en aval des premier et deuxième ensembles 9, 16. L'unité de contrôle reçoit également d'autres signaux provenant d'éléments extérieurs au dispositif de refroidissement 1, par exemple des signaux indiquant la température d'autres éléments ou fluides circulant dans le véhicule automobile et non représentés.
Les signaux Tl, T2 sont délivrés à un deuxième moyen 26 qui permet de déterminer, à partir desdits signaux Tl et T2, et d'autres signaux provenant d'éléments extérieurs, la température du fluide caloporteur en entrée du premier ensemble 9 et du deuxième ensemble 16, c'est-à-dire la température du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur 10, 11, 17 et 18. Pour cela, le deuxième moyen 26 suppose que la température du fluide caloporteur du circuit secondaire 3 reste environ constante entre l'entrée et la sortie de la pompe 12.
Pour déterminer la température du fluide caloporteur en entrée du premier ensemble 9, le deuxième moyen 26 détermine dans un premier temps la température du fluide caloporteur en sortie de l'échangeur 5. Il utilise pour cela les signaux T2 et Tl, ainsi que les équations du modèle de l'échangeur 5 en statique.
Le deuxième moyen 26 peut ainsi en déduire la température du fluide en sortie de l'échangeur 5.
Dans un second temps, le deuxième moyen 26 détermine la température du fluide en sortie du premier radiateur 8, à partir notamment des cartographies du premier radiateur 8 et des températures d'entrée et de sortie du deuxième fluide
(non-représenté) circulant dans le premier radiateur, par exemple de l'air. Le deuxième moyen 26 peut ainsi délivrer en sortie la température du fluide caloporteur en entrée du premier ensemble 9. Plus particulièrement, le deuxième moyen 26 peut utiliser un modèle (1) du type : dans laquelle :
Qair représente le débit d'air traversant le radiateur 8 ; _ QfC8 représente le débit de fluide caloporteur traversant le radiateur 8 ;
T°"τ représente la température du fluide caloporteur en sortie du radiateur 8 ;
T^ représente la température du fluide caloporteur en entrée du radiateur 8 qui est déterminée par le deuxième moyen 26 en fonction des équations du modèle de l'échangeur 5 en statique ;
T™ est la température de l'air entrant dans le radiateur 8 ;
T°r uτ est la température de l'air sortant du radiateur 8.
Pour déterminer la température du fluide caloporteur en entrée du deuxième ensemble 16, le deuxième moyen 26 détermine la température du fluide en sortie du deuxième radiateur 15, à partir notamment des cartographies du deuxième radiateur 15 (de manière analogue au premier radiateur 8). Le deuxième moyen 26 peut ainsi délivrer en sortie la température du fluide caloporteur en entrée du deuxième ensemble 16.
Les signaux déterminés par le deuxième moyen 26 sont transmis alors au premier moyen 27. Celui-ci reçoit également les signaux T2 du capteur de température 13. Le premier moyen 27 permet d'estimer la température de sortie du fluide caloporteur circulant dans chaque échangeur de chaleur 10, 11, 17 et 18. En particulier, le deuxième moyen 27 utilise les équations dynamiques des échangeurs de chaleur qui s'écrivent sous la forme vectorielle suivante :
Figure imgf000011_0001
dans lesquelles :
- T1 représente le vecteur de température de l' échangeur i (i=10, 11,
Figure imgf000011_0002
où Tfcl représente la température du fluide caloporteur circulant dans l' échangeur i, Tgl représente la température du gaz qui circule dans l'échangeur i et dont la température est régulée par l'échangeur i, et Tpi représente la température des parois de l'échangeur i;
- T1 représente la variation par rapport au temps du vecteur de température T1 ;
- T^1 et T°"τ représentent respectivement les températures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur circulant dans l'échangeur i ;
- A1 et B1 représentent des matrices caractéristiques de l'échangeur i et dépendant du débit du gaz qui circule dans l'échangeur i et dont la température est régulée par l'échangeur i ;
- D1 représente le vecteur :
Figure imgf000011_0003
où ε dépend du débit du gaz qui circule dans l'échangeur i et dont la température est régulée par l'échangeur i ;
- b représente un vecteur caractéristique de l'échangeur i ;
- C représente le vecteur : C = [l 0 0] ; et
- U1 représente le débit du fluide caloporteur circulant dans l'échangeur
Les températures T™l0 et T^n d'entrée du fluide caloporteur dans les échangeurs 10 et 11 sont égales à la température T°c% τ du fluide caloporteur en sortie du radiateur 8, T£"τ étant déterminée par le deuxième moyen 26. Par ailleurs, les températures de sortie des fluides caloporteurs circulant dans les différents échangeurs sont reliées par la formule : /clθ - i /clθ + 1J-JcW ' l fcU + "fc\l ' l fc\l + ^fdS ' Â fdS . ..
QfclO + QfcW + Qfcll + QfdS dans laquelle :
T°"τ et Qfci représentent respectivement la température de sortie et le débit de sortie du fluide caloporteur circulant dans l'échangeur i.
Ainsi, à partir de ces différentes équations, de la température d'entrée du fluide caloporteur circulant dans les échangeurs 10, 11, 17, 18 déterminées par le deuxième moyen 26, et à partir des signaux T2 du capteur de température 13, le premier moyen 27 peut utiliser un observateur d'état, de préférence à grain gain, pour estimer la température de sortie T^"τ du fluide caloporteur circulant dans chaque échangeur du premier ensemble 9 et du deuxième ensemble 16.
Plus particulièrement, l'observateur d'état permet d'estimer, à partir du modèle d'un échangeur de chaleur, le vecteur de température T1 de l'échangeur i, et en particulier la température de sortie T£"τ du fluide caloporteur. En comparant les valeurs obtenues avec la valeur mesurée T2, le premier moyen 27 peut corriger le modèle et affiner ainsi la valeur du vecteur de température T1 estimé.
On peut ainsi estimer la température de sortie de chaque échangeur de chaleur 10, 11, 17, 18 tout en limitant le nombre de capteurs de température dans le dispositif de refroidissement.
Les températures estimées par le premier moyen 27 sont alors délivrées à un troisième moyen 28 capable de contrôler les vannes 19, 21 et 23 des différents moyens réglables de court-circuit, notamment en calculant les pourcentages d'ouvertures αl9, α21 desdites vannes. Les signaux αl9, α21 permettent de commander la fraction de débit qui doit passer par les radiateurs 8 et 15 respectivement.
Ainsi, le troisième moyen 28 permet d'adapter la circulation du fluide caloporteur dans le circuit secondaire 3 afin d'y améliorer les échanges de chaleur. Selon un mode de réalisation, le troisième moyen 28 peut également être utilisé pour contrôler le bilan d'eau, notamment en déterminant l'eau récupérée par les échangeurs 17, 18 dans les gaz de rejet de la pile à combustible.
Le bilan d'eau pendant une période T est donné par la relation suivante :
Figure imgf000012_0001
dans laquelle Q1 1 désigne le débit d'eau condensée dans l'échangeur de chaleur i et Q2 est le débit d'eau consommée par le reformeur. Plus particulièrement, le débit Q1 1 d'eau condensée dans l'échangeur de chaleur i peut être calculée à partir de l'équation : Q) = I1 ( Q!N (vapeur); Pt 1N (gaz); Tt 1N (gaz);Tt (gaz) ) (6) dans laquelle :
- Q/N( vapeur) est le débit de vapeur en entrée de l'échangeur i ; P/N(gaz) est la pression des gaz en entrée de l'échangeur i ;
- T/N(gaz) est la température des gaz en entrée de l'échangeur i ; - Tj(gaz) est la température moyenne des gaz au niveau de l'échangeur i ;
Par ailleurs, le débit Q2 d'eau consommée par le reformeur peut être calculée par la formule :
X S PCI /
Q2 = - P^- ~^1M^ ' K • Ncelι r C * η - N^ •- 2— • F (7) - lT fuel C dans laquelle :
F est la constante de Faraday ;
- Nceii est le nombre de cellules de la pile à combustible ; η est le rendement du reformeur ;
- le rapport S/C représente le débit d'au sur débit de carbone ; - I est le courant électrique délivré par la pile à combustible ;
- Ra est la stoechiométrie anodique ;
PCIfoei représente le pouvoir calorifique inférieur du carburant entrant dans le reformeur ;
PCIH2 représente le pouvoir calorifique inférieur de l'hydrogène sortant du reformeur ; x est la proportion de carbone dans le carburant alimentant le reformeur (de formule CxHyOz).
Le calcul de B permet ainsi d'éviter l'ajout d'un capteur supplémentaire pour détecter le niveau d'eau en aval du reformeur. De plus, en comparant la valeur de B à un seuil prédéfini, il est également possible de faire un diagnostique sur la consommation en eau de la pile à combustible et sur la capacité du réservoir d'eau.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le dispositif de refroidissement peut comprendre également deux capteurs de température supplémentaires capables de mesurer la température du fluide caloporteur en entrée du premier ensemble 9 et en entrée du deuxième ensemble 16. Dans ce cas, l'unité de contrôle électronique 25 ne comprend plus de deuxième moyen 26 pour déterminer la température du fluide caloporteur en entrée du premier ensemble 9 et du deuxième ensemble 16 : le premier moyen 27 reçoit directement les grandeurs mesurées par le capteur de température 13 et par les capteurs de température du fluide caloporteur en entrée des premier et deuxième ensembles.
Dans ce mode de réalisation, l'unité de contrôle électronique peut cependant également comprendre un quatrième moyen (non-représenté) pour diagnostiquer une panne d'une vanne réglable. Plus particulièrement, le quatrième moyen utilise les modèles des radiateurs 8, 15 et/ou le modèle de l'échangeur de chaleur 5 pour déterminer le débit du fluide caloporteur traversant ledit radiateur 8, 15 ou échangeur de chaleur 5, et ainsi diagnostiquer, par comparaison avec les signaux αl9, α21, α23 de commande des vannes 19, 21, 23, une éventuelle panne d'une desdites vannes 19, 21, 23.
Par exemple, en inversant l'équation (1) du modèle du radiateur 8, et en connaissant la température TfC8°uτ de sortie du radiateur 8 (mesurée par un capteur de température), il est possible de calculer Qfc8 et de comparer cette valeur à αl9. Il est également possible de calculer une valeur représentative de l'écart es entre la valeur déterminée du débit Qfcg et la valeur commandée αl9 : e, = (Qfc, - Ct19 - Q9)2 (8) dans laquelle Qg représente le débit du fluide caloporteur à travers le premier ensemble 9.
De même, il est également possible de comparer le débit Qfcl5 et de le comparer à la valeur α21, en calculant par exemple la grandeur e15 : e15 = (Qfcl5 - a21 - QJ2 (9) dans laquelle Q16 représente le débit du fluide caloporteur à travers le deuxième ensemble 16.
En particulier, le débit total Q& du fluide caloporteur dans le circuit secondaire 3 vaut :
Figure imgf000014_0001
De même, il est également possible de comparer le débit Q&5 et de le comparer à la valeur α23, en calculant par exemple la grandeur es : e5 = (Qfc5 - CC23 - Q9)2 (11) A partir des différents écarts calculés et à partir de valeurs seuils, le quatrième moyen peut mettre en œuvre un procédé de surveillance du circuit de refroidissement.
Un exemple de mise en œuvre du procédé de surveillance du circuit de refroidissement secondaire par le quatrième moyen est illustré par le schéma de la figure 3.
Le procédé débute par une étape 29 de détermination des débits Q&5, Q&8 et/ou Qfcl5 de fluide caloporteur alimentant respectivement l'échangeur de chaleur 5, le radiateur 8 et/ou le radiateur 15. Lors d'une étape 30, le quatrième moyen calcule l'écart es défini précédemment, puis compare la valeur obtenue à une valeur seuil S1 mémorisée ou déterminée en fonction de paramètres de fonctionnement de la pile à combustible.
Si l'écart es est supérieur à la valeur seuil S1, alors le procédé se poursuit par une étape 31 durant laquelle on compare la température Tl du fluide caloporteur circulant dans le circuit principal 2 à une valeur seuil S2. Si la température Tl est supérieure au seuil S2, alors le dispositif de refroidissement ne permet pas d'évacuer correctement la chaleur dégagée par l'organe thermique et le véhicule peut être arrêté lors d'une étape 32. Si la valeur Tl est inférieure au seuil S2, un signal d'alarme peut être déclenché et le procédé reprend à l'étape 29. Si l'écart es est inférieur ou égal à la valeur seuil S1, alors le débit circulant dans l'échangeur de chaleur 5 correspond à la valeur de consigne α23 et il n'y a pas de fuite ou de panne notable dans le troisième moyen réglable. Le procédé se poursuit par une étape 33.
Durant l'étape 33, le quatrième moyen calcule l'écart es et/ou eis définis précédemment, puis compare respectivement la ou les valeurs obtenues à la ou aux valeurs seuils Ss et S15 mémorisées ou déterminées en fonction de paramètres de fonctionnement de la pile à combustible.
Si l'écart es, respectivement e^, est supérieur au seuil Ss, respectivement S^, alors le procédé se poursuit par une étape 34 durant laquelle on compare la température T2 du fluide caloporteur circulant dans le circuit secondaire 3 à une valeur seuil S3. Si la température T2 est supérieure au seuil S3, alors le circuit secondaire 3 ne permet pas de redistribuer correctement la chaleur issue du circuit principal, et la vanne 19, respectivement 21, est ouverte complètement (αl9=l, respectivement α21=l) lors d'une étape 35. Si la valeur T2 est inférieure ou égale au seuil S3, un signal d'alarme peut être déclenché et le procédé reprend à l'étape 29. Ainsi, grâce aux différents moyens de l'unité de contrôle électronique 25, il est possible de contrôler et, éventuellement de reconfigurer la commande du dispositif de refroidissement 1 , tout en limitant le nombre de capteurs au sein de celui-ci.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de refroidissement (1) d'un organe thermique (4), notamment utilisé dans un système de traction de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement principal (2) apte à réguler la température de l'organe thermique, un circuit de refroidissement secondaire (3) comprenant un premier ensemble (9) d'au moins deux échangeurs de chaleur (10, 11) montés en parallèle, et un moyen de couplage thermique (5) entre le circuit de refroidissement principal (2) et le circuit de refroidissement secondaire (3), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capteur de température (13) monté en série sur le circuit de refroidissement secondaire (3) et en aval du premier ensemble (9) et une unité de contrôle (25) comprenant un premier moyen (27) capable d'estimer avec un observateur d'état, la température de sortie de chaque échangeur de chaleur (10, 11) du premier ensemble (9) à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur du premier ensemble et des grandeurs mesurées par le capteur de température (13).
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le circuit de refroidissement secondaire (3) comprend une dérivation (14) dont une extrémité est montée en aval du capteur de température (13) et en amont du moyen de contact thermique (5), et dont l'autre extrémité est montée en aval du premier ensemble (9) d' échangeurs de chaleur et en amont du capteur de température (13), la dérivation (14) comprenant un deuxième ensemble (16) d'au moins deux échangeurs de chaleur (17, 18) montés en parallèle.
3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le premier moyen (27) est en outre capable d'estimer avec un observateur d'état, la température de sortie de chaque échangeur de chaleur (17, 18) du deuxième ensemble (16) à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur du deuxième ensemble et des grandeurs mesurées par le capteur de température (13).
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le circuit de refroidissement secondaire (3) comprend en outre des premier et deuxième radiateurs (8, 15) associés respectivement aux premier et deuxième ensembles d'échangeurs (9, 16).
5. Dispositif selon la revendication 4 comportant en outre des moyens réglables pour court-circuiter les premier et deuxième radiateurs et dans lequel l'unité de contrôle (25) comprend également un troisième moyen (28) pour piloter les moyens réglables pour court-circuiter les premier et deuxième radiateurs.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel l'unité de contrôle (25) comprend un deuxième moyen (26) capable de déterminer la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque échangeur de chaleur, à partir des grandeurs mesurées par le capteur de température (13).
7. Dispositif selon la revendication 4 ou 5 comprenant en outre des capteurs de température capables de mesurer la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée de chaque ensemble (9, 16) d'échangeurs de chaleur, et dans lequel l'unité de contrôle (25) comprend un quatrième moyen capable de surveiller le débit de fluide caloporteur circulant dans les premier et deuxième radiateurs (8, 15), à partir des grandeurs mesurées par les capteurs de température.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'organe thermique comprend une pile à combustible et dans lequel le moyen de contact thermique (5) est un échangeur de chaleur disposé entre le circuit de refroidissement principal (2) et le circuit de refroidissement secondaire (3).
9. Dispositif selon les revendications 5 et 8 dans lequel le deuxième ensemble (16) d'échangeurs permet de réguler la température des gaz en sortie de la pile à combustible et dans lequel le troisième moyen (28) est capable de piloter les moyens réglables pour court-circuiter le deuxième radiateur (15), selon le bilan d'eau consommé par la pile à combustible et récupérée par le dispositif de refroidissement.
10. Procédé de commande d'un dispositif de refroidissement d'un organe thermique (4), notamment utilisé dans un système de traction de véhicule automobile comprenant un circuit de refroidissement principal (2) apte à réguler la température de l'organe thermique, un circuit de refroidissement secondaire (3) comprenant un premier ensemble (9) d'au moins deux échangeurs de chaleur (10,
11) montés en parallèle, et un moyen de couplage thermique (5) entre le circuit de refroidissement principal (2) et le circuit de refroidissement secondaire (3), caractérisé en ce que :
- on mesure la température du fluide caloporteur en aval du premier ensemble (9) d'échangeurs de chaleur,
- on détermine la température du fluide caloporteur du circuit secondaire (3) en entrée des échangeurs de chaleur, et
- on estime avec un observateur d'état, la température de sortie de chacun des échangeurs de chaleur, à partir de la température d'entrée du fluide caloporteur en entrée des échangeurs de chaleur et de la température mesurée du fluide caloporteur.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109249945A (zh) * 2018-08-16 2019-01-22 中车唐山机车车辆有限公司 列车牵引力调整方法、装置、电子设备以及存储介质

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6135256B2 (ja) * 2012-05-23 2017-05-31 株式会社デンソー 車両用熱管理システム
CN102765321B (zh) * 2012-07-27 2016-03-30 浙江吉利汽车研究院有限公司杭州分公司 电动汽车冷却系统
US9385382B2 (en) * 2013-06-10 2016-07-05 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for controlling cabin heating in fuel cell vehicles
WO2015001855A1 (fr) * 2013-07-01 2015-01-08 日産自動車株式会社 Dispositif de refroidissement pour moteur à combustion interne, et procédé de refroidissement pour moteur à combustion interne
DE102014224380A1 (de) * 2014-11-28 2016-06-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum prädiktiven Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem
US9926836B2 (en) * 2015-07-02 2018-03-27 General Electric Company System and method for oxidant temperature control
US20180323452A1 (en) * 2017-05-05 2018-11-08 GM Global Technology Operations LLC Modeling and use of virtual temperature sensor at fuel cell stack active area outlet with stack coolant bypass
US10350963B2 (en) 2017-06-01 2019-07-16 Ford Global Technologies, Llc Vehicle heating and cooling system with parallel heat exchangers and control method
CN109677255B (zh) * 2017-10-18 2024-05-31 河南森源重工有限公司 一种车用智能冷却系统和电动汽车
US10720655B2 (en) 2017-11-28 2020-07-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Partial derivative based feedback controls for pid
US10777831B2 (en) 2017-11-28 2020-09-15 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Equation based cooling system control strategy/method
US11094950B2 (en) 2017-11-28 2021-08-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Equation based state estimator for cooling system controller
US10714773B2 (en) 2017-11-28 2020-07-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling system dT/dt based control
SE1851252A1 (en) * 2018-10-12 2019-09-13 Scania Cv Ab Cooling system and method for controlling temperature of coolant
KR102387889B1 (ko) 2020-06-16 2022-04-18 현대모비스 주식회사 차량용 연료전지 시스템
CN116888351A (zh) * 2021-01-29 2023-10-13 尼得科株式会社 调温装置
CN114278423B (zh) * 2021-06-28 2023-10-13 天津大学 一种基于预测性扩张状态观测器的冷却液温度预测控制方法
CN113471477B (zh) * 2021-06-28 2022-05-31 电子科技大学 一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5255733A (en) * 1992-08-10 1993-10-26 Ford Motor Company Hybird vehicle cooling system
DE19850829C1 (de) * 1998-11-04 2000-03-16 Valeo Klimasysteme Gmbh Kühl-Heiz-Kreis für ein Fahrzeug
US20020161508A1 (en) * 2001-04-26 2002-10-31 Pfeiffer Jeffrey M. Model-based method of estimating crankcase oil temperature in an internal combustion engine
EP1302731A1 (fr) * 2001-10-12 2003-04-16 Peugeot Citroen Automobiles SA Dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile
GB2409763A (en) 2003-12-31 2005-07-06 Intelligent Energy Ltd Water management in fuel cells
US20050167169A1 (en) * 2004-02-04 2005-08-04 Gering Kevin L. Thermal management systems and methods
US20050227125A1 (en) 2004-04-13 2005-10-13 Shaffer Brian D Transient controls to improve fuel cell performance and stack durability

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7155334B1 (en) * 2005-09-29 2006-12-26 Honeywell International Inc. Use of sensors in a state observer for a diesel engine
DE102007054246A1 (de) * 2007-11-14 2009-05-20 Daimler Ag Brennstoffzellenantrieb für ein Kraftfahrzeug

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5255733A (en) * 1992-08-10 1993-10-26 Ford Motor Company Hybird vehicle cooling system
DE19850829C1 (de) * 1998-11-04 2000-03-16 Valeo Klimasysteme Gmbh Kühl-Heiz-Kreis für ein Fahrzeug
US20020161508A1 (en) * 2001-04-26 2002-10-31 Pfeiffer Jeffrey M. Model-based method of estimating crankcase oil temperature in an internal combustion engine
EP1302731A1 (fr) * 2001-10-12 2003-04-16 Peugeot Citroen Automobiles SA Dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile
GB2409763A (en) 2003-12-31 2005-07-06 Intelligent Energy Ltd Water management in fuel cells
US20050167169A1 (en) * 2004-02-04 2005-08-04 Gering Kevin L. Thermal management systems and methods
US20050227125A1 (en) 2004-04-13 2005-10-13 Shaffer Brian D Transient controls to improve fuel cell performance and stack durability

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109249945A (zh) * 2018-08-16 2019-01-22 中车唐山机车车辆有限公司 列车牵引力调整方法、装置、电子设备以及存储介质

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Publication number Publication date
JP2012513654A (ja) 2012-06-14
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