FR2897985A1

FR2897985A1 - Systeme et procede de commande d'un module de puissance a pile a combustible.

Info

Publication number: FR2897985A1
Application number: FR0601690A
Authority: FR
Inventors: Cherif Karim Ben; Lay Vincent Le
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-08-31

Abstract

Système de commande d'un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible 1 alimentée par un dispositif de reformage 2 capable de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné et d'air, la pile à combustible fournissant une puissance électrique, comprenant des capteurs de mesure des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, au moins un capteur de la température de la pile à combustible, et un module 27 de détermination de la tension électrique de la pile à combustible à partir des grandeurs mesurées par les capteurs, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un capteur de mesure d'une grandeur électrique à la sortie de la pile à combustible et une boucle de régulation fermée comprenant un premier régulateur 25 et une rétroaction 32 par la grandeur électrique mesurée.

Description

1 Système et procédé de commande d'un module de puissance à pile à

combustible.

La présente invention est relative à la commande d'un module de puissance, utilisable notamment dans un véhicule automobile et comprenant une pile à combustible alimentée par un dispositif de reformage ou reformeur capable de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné et d'air. Pour commander convenablement un tel module de puissance de façon à suivre au mieux les demandes de puissance instantanées qui sont faites par exemple par le conducteur du véhicule automobile, il est nécessaire de connaître le débit d'hydrogène alimentant la pile à combustible. Or, il n'existe pas de capteur de mesure d'hydrogène qui puisse être utilisé directement et il est donc nécessaire d'avoir recours à des dispositifs d'estimation complexes et peu fiables. C'est ainsi que la demande de brevet US 2003/044659 prévoit une estimation du débit d'hydrogène par une mesure des quantités de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau à la sortie du reformeur. On estime ensuite le débit d'hydrogène produit à partir de ces grandeurs mesurées et en tenant compte de mesures complémentaires du débit de carburant d'air et de vapeur d'eau alimentant le reformeur. Par ailleurs, la commande d'un module de puissance tel qu'indiqué ci-dessus se fait généralement au moyen d'une régulation en boucle ouverte, peu performante sur le plan dynamique, lors de variations rapides de la puissance demandée et peu précise en raison d'erreurs de poursuite systématique. La demande de brevet US 2002/0160243 montre un tel système de commande, dans lequel le débit de carburant qui doit alimenter le reformeur est calculé à partir d'une valeur de consigne de courant

2 électrique produit par la pile à combustible au moyen d'une cartographie et d'une régulation en boucle ouverte. On notera que, dans ce document, la mesure de courant électrique est uniquement utilisée pour filtrer la valeur de consigne du courant électrique amené sur la boucle de régulation. La demande de brevet japonais 2003/095607 décrit un dispositif permettant d'estimer le débit d'hydrogène à partir du pourcentage de gaz reformé à partir d'une mesure du débit des gaz à l'entrée et à la sortie du reformeur.

La demande de brevet japonais 2001/165431 décrit un système qui utilise le débit d'air alimentant le reformeur dans la commande du débit de carburant à l'entrée du reformeur. Il est prévu dans ce document une saturation de la valeur de consigne du débit de carburant en fonction du débit d'air mesuré. Des limitations des différentes valeurs sont prévues afin d'éviter des variations trop importantes du rapport des débits entre l'air et le carburant. La demande de brevet US 2003/0224230 décrit un système et un procédé de commande d'un module de puissance comportant une pile à combustible et un reformeur. Dans ce document, il est prévu de mesurer non seulement les débits de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone, mais également la valeur du courant électrique fourni par la pile à combustible. La valeur du courant ainsi mesuré est utilisée pour estimer la quantité d'hydrogène consommé par la pile à combustible. Toutefois, c'est la concentration en monoxyde de carbone et en dioxyde de carbone qui permet de calculer le débit d'hydrogène à l'entrée de la pile à combustible. Le document prévoit également d'utiliser un capteur du débit de carburant alimentant le reformeur. La présente invention a pour objet d'améliorer les performances dynamiques d'un système de commande de module de

3 puissance à pile à combustible comprenant un dispositif de reformage, tout en fournissant un système précis susceptible d'annuler, au moins en partie, les erreurs de poursuite lors de variations brusques de la puissance demandée au module de puissance.

La présente invention a également pour objet un système et un procédé de commande d'un tel module de puissance, qui permettent d'obtenir un gain en consommation de carburant. Enfin, l'invention a encore pour objet de permettre la conception d'un système de commande particulièrement simple et peu onéreux. Selon un premier mode de réalisation, un système de commande d'un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprend une pile à combustible, alimentée par un dispositif de reformage ou reformeur, capable de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné et d'air. La pile à combustible fournit une puissance électrique utilisable, notamment dans le véhicule automobile, que ce soit pour la traction ou pour des organes auxiliaires du véhicule. Le système comprend des capteurs de mesure des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, par exemple le débit et la pression d'air. Le système comprend également au moins un capteur de la température de la pile à combustible, et un module de détermination de la tension électrique de la pile à combustible à partir des grandeurs mesurées par les capteurs.

Le système comprend en outre au moins un capteur de mesure d'une grandeur électrique à la sortie de la pile à combustible et une boucle de régulation fermée comprenant un premier régulateur et une rétroaction par la grandeur électrique mesurée.

Ainsi, il n'est plus nécessaire d'utiliser une cartographie du débit de carburant amené au reformeur en fonction de la puissance électrique instantanée demandée au module de puissance, ce qui simplifie le système de commande et améliore la précision.

L'utilisation pour la commande, de grandeurs électriques, permet de s'affranchir des imprécisions résultant de l'utilisation de dispositifs d'estimation peu fiables de la quantité d'hydrogène produite par le dispositif de reformage. De plus, la mesure de telles grandeurs électriques peut être faite très simplement avec des moyens peu onéreux tels que wattmètre, ampèremètre ou voltmètre. La commande en boucle fermée permet d'améliorer les performances dynamiques du système en termes notamment de temps de réponse. Les performances statiques sont également améliorées par la suppression de l'influence des perturbations et donc de l'erreur statique qui apparaît dans le cas d'une commande en boucle ouverte. Le système de commande comprend en outre avantageusement au moins un capteur de mesure de la quantité de monoxyde de carbone présent dans la pile à combustible. Ce capteur est également relié au module de détermination de la tension électrique de la pile à combustible. Ce premier mode réalisation est bien adapté au cas où le dispositif de reformage est relativement lent à réagir à des variations de demandes de puissance, c'est à dire que le temps de réponse du reformeur est nettement plus important (par exemple au moins trois fois plus) que le temps de réponse du système d'alimentation en air comburant. Dans les cas où, au contraire, le dispositif de reformage est plus performant, son temps de réponse étant comparable à celui du système d'alimentation en air comburant, il est préférable de ne pas se contenter de la seule boucle de régulation fermée utilisant les grandeurs électriques mesurées, mais de tenir également compte de données concernant le système d'alimentation en air comburant. Dans un deuxième mode de réalisation, le système de commande comprend donc en outre une boucle de régulation ouverte 5 comprenant un deuxième régulateur de l'alimentation en air et un module de calcul d'un débit de carburant en fonction des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, de la température de la pile à combustible et de la grandeur électrique mesurée, la valeur calculée du débit de carburant étant amenée à la sortie du premier régulateur. Dans les deux modes de réalisation, le système de commande comprend de préférence également au moins un capteur de mesure de la quantité de monoxyde de carbone présent dans la pile à combustible, relié au module de calcul d'un débit de carburant. Ainsi, on peut tenir compte des pertes de puissance électrique fournie résultant de la présence de monoxyde de carbone dans la pile à combustible. Pour tenir compte du point de fonctionnement du système d'alimentation en air comburant, on prévoit de préférence des moyens de mémorisation de cartographies de la pression et du débit d'air en fonction de la puissance électrique demandée. Le module de détermination de la tension électrique de la pile à combustible est avantageusement capable de déterminer une courbe de polarisation de la pile à combustible.

Dans la boucle de régulation fermée, le dispositif de reformage peut être représenté par une fonction de transfert du type : K(Qfuel ) 1 + r(Q fuel )p

6 La grandeur électrique mesurée peut être, soit le courant et/ou la tension en sortie de la pile à combustible, soit le courant et/ou la tension à la sortie d'au moins un organe auxiliaire de la pile à combustible, soit le courant et/ou la tension à la sortie d'une batterie d'accumulation reliée à la pile à combustible, Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de commande d'un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible alimentée par un dispositif de reformage capable de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné et d'air, utilise des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, la température de la pile à combustible et la tension électrique de la pile à combustible. De plus, on mesure au moins une grandeur électrique à la sortie de la pile à combustible et on procède à une régulation en boucle fermée avec rétroaction par la grandeur électrique mesurée. De préférence, on mesure également le monoxyde de carbone présent dans la pile à combustible. Selon une variante du procédé, on procède en outre à une régulation en boucle ouverte du débit de carburant en fonction des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, de la température de la pile à combustible et de la grandeur électrique mesurée, la valeur calculée du débit de carburant étant prise en compte dans la première régulation. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 illustre schématiquement les principaux éléments d'un module de puissance comprenant une pile à combustible ;

7 - la figure 2 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un système de commande d'un module de puissance tel qu'illustré sur la figure 1 ; - la figure 3 illustre la répartition possible de l'énergie électrique fournie par un module de puissance dans un véhicule automobile ; et -la figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation d'un système de commande. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, un module de puissance destiné à générer une puissance électrique pour alimenter par exemple le moteur de traction d'un véhicule automobile, comprend une pile à combustible 1 notée PAC sur la figure, associée à un dispositif de reformage 2 et un groupe de compression d'air 3. La pile à combustible 1 est généralement constituée par un empilement de plaques définissant chacune une anode 4 et une cathode 5 entre lesquelles apparaît un courant électrique symbolisé en 6 sur la figure 1. L'énergie électrique fournie par la pile à combustible sous la forme d'un courant électrique avec une certaine tension électrique est amenée par la connexion 7 sur un circuit électrique survolteur 8, comprenant par exemple un élévateur de tension statique, tel qu'un hacheur. Le dispositif de reformage comprend un reformeur et divers organes auxiliaires, non illustrés plus particulièrement sur la figure. Le reformeur est capable de produire un gaz riche en hydrogène qui est amené à l'entrée de la pile à combustible 1 par la conduite 9. Le reformeur est quant à lui alimenté en air sous pression par la conduite 10, cet air étant mis en pression par le groupe de compression 3 qui comprend, dans l'exemple illustré, un compresseur 11 entraîné par un moteur électrique 12 et une turbine 13 montée sur le même arbre

8 d'entraînement 14 que le compresseur 11, de façon à participer à l'entraînement de ce dernier. L'air comprimé est également amené par la conduite 15 à l'entrée de la pile à combustible 1. Le reformeur est alimenté en carburant par une conduite 16 reliée à une pompe d'alimentation non représentée. Le carburant contenu dans un réservoir 17 peut être par exemple de l'essence, du gasoil, de l'éthanol ou tout autre carburant. La pile à combustible 1 est refroidie au moyen d'un fluide caloporteur circulant dans un circuit de refroidissement, représenté schématiquement en 18 sur la figure 1, relié par la conduite 19 à la pile à combustible 1. L'ensemble des éléments formant le module de puissance est commandé par une unité de commande 20 qui agit sur les différents éléments et reçoit des informations sur leur état de fonctionnement respectif en provenance de différents capteurs, non représentés sur la figure, par des liaisons telles que la liaison 21 avec le circuit de refroidissement 18, la liaison 22 avec le groupe de compression 3 ou la liaison 23 avec l'alimentation en carburant 17. L'unité de commande 20 reçoit également des informations sur la demande instantanée de puissance formulée par exemple par le conducteur du véhicule automobile. L'unité de commande 20 est en outre capable de gérer la répartition de l'énergie fournie par le module de puissance entre la batterie du véhicule, le moteur de traction et d'éventuels organes auxiliaires consommateurs d'énergie électrique.

Les capteurs, non représentés sur la figure, permettent notamment de mesurer la température régnant dans la pile à combustible 1, le débit d'air et la pression d'air provenant du groupe de compression 3, le courant électrique et la tension fournis par la pile à combustible 1.

9 La tension électrique de la pile à combustible n'est autre que la différence de potentiel entre l'anode et la cathode en circuit ouvert dont il convient de soustraire différentes polarisations ou surtensions provenant de pertes, qui peuvent être par exemple : - des pertes par activation au niveau de l'anode ou de la cathode ; des pertes ohmiques dues aux résistances internes de la pile ; des pertes par diffusion à l'endroit de l'anode ou de la cathode ; - des pertes liées à la présence de monoxyde de carbone dans le gaz fourni par le reformeur et alimentant la pile à combustible 1. La caractéristique de la pile à combustible 1 peut être mise sous la forme d'une courbe de polarisation, qui permet de prédire la tension de la pile en fonction de différents paramètres. On peut ainsi écrire : U = fui (T, Qair'QH2' Pair' )(CO, U (1) où • I est le courant électrique imposé à la pile à combustible en fonction de la demande d'énergie électrique, • Qair est le débit d'air amené à la cathode en provenance du groupe de compression 3, à partir duquel on peut calculer le débit molaire d'oxygène, • QH2 est le débit molaire d'hydrogène amené à l'anode en provenance du reformeur 2, • Pair est la pression de fonctionnement du système, c'est-à-dire la pression de l'air fourni par le groupe de compression 3,

10 • Xco est la fraction molaire de monoxyde de carbone à l'entrée de la pile à combustible 1, • T est la température de la pile à combustible. La puissance électrique que délivre la pile à combustible est donnée par la formule : P(t) = U(t)I(t)NCeä (2) où NCeä est le nombre de cellules que contient la pile à combustible 1.

Pour commander le module de puissance, il convient de définir un modèle mathématique, lui-même constitué de différents sous-modèles. On retrouve en effet le fonctionnement dynamique de la température de la pile à combustible T, un système pneumatique comprenant le débit et la pression de l'air fournis par le groupe de compression 3, un modèle du stockage et du déstockage du monoxyde de carbone dans la pile à combustible et un modèle pour le reformeur 2 et le débit d'hydrogène QH2. La température T de la pile à combustible est régulée à partir du circuit de refroidissement 18. La quantité de monoxyde de carbone stocké dans la pile à combustible est régulée à partir d'une injection plus ou moins importante d'air. Si la puissance électrique instantanée demandée varie en fonction du temps, la régulation de ces différentes variables se fait correctement. Il reste encore à titre de variable supplémentaire, le courant I(t) qui agit instantanément sur la tension ainsi que la pression et le débit d'air. L'utilisation de vannes associées au compresseur 11, permet d'obtenir en boucle fermée des constantes de temps relativement faibles, de l'ordre d'environ 2 secondes. La détermination du débit d'hydrogène QH2 présente la difficulté majeure de ce type de commande, si l'on souhaite maintenir

11 un coût admissible et un temps de réponse acceptable. De plus, suivant la technologie de reformage utilisée, la modification du débit d'hydrogène peut demander un temps important, de l'ordre de 10 à 30 secondes, laissant apparaître une erreur importante entre la puissance instantanée fournie par le module de puissance et la puissance demandée. Il est possible de modéliser le reformeur en vue de sa commande à partir du débit de carburant alimentant le reformeur. On peut alors définir le modèle mathématique du reformeur de façon non linéaire, de la façon suivante : dQH2 dt = f(Qf,el'QH2) (3) Dans la fonction f, on retrouve les différentes réactions catalytiques, dans le cas d'un reformeur étagé, ainsi que les phénomènes de diffusion sélective, dans le cas d'un reformeur membranaire, c'est-à-dire intégrant une membrane de purification d'hydrogène. On retrouve également les différents termes de transport, d'évaporation, etc. A partir de l'équation précédente, on peut en déduire la fonction de transfert du reformeur sous la forme : QH2 K(Qfuel ) Qfuel 1+ (Qfuer )P où K(Qfuel) représente une valeur statique dépendant du débit de carburant amené au reformeur, et t(Qfuel) est la constante de temps du reformeur. Le système de commande proprement dit est illustré schématiquement sur la figure 2, selon un premier mode de réalisation qui est particulièrement approprié dans le cas où le temps de réponse (4) 12 du reformeur 2 est relativement long, c'est-à-dire supérieur à au moins trois fois le temps de réponse du système de commande d'air incluant le groupe de compression 3. Le système de commande comprend une boucle fermée basée 5 sur des mesures de grandeurs électriques. La puissance demandée instantanée Pdem(t) est fournie par le bloc 24 à un régulateur 25 qui peut être du type PID ou RST, ou constituer une commande non linéaire. La synthèse du régulateur peut se faire par de multiples approches, telles que linéaire quadratique, 10 linéaire quadratique gaussien, linéaire quadratique gaussien avec reconstitution du transfert de boucle, placement de pôles avec placement de vecteurs propres. On peut également envisager des approches fréquentielles, des commandes adaptatives prédictives ou des méthodes mixtes. 15 Le signal fourni par le régulateur 25 représente la valeur du débit de carburant Qfuel(t) qui est amenée dans le modèle du reformeur 26, le signal produit représentant la valeur calculée du débit d'hydrogène QH2(t). Cette valeur est amenée à l'entrée du module de calcul 27 de la pile à combustible qui comprend une courbe de 20 polarisation et qui reçoit les données provenant du système de commande d'air (pression et débit d'air) par la connexion 28. La connexion 29 amène également sur le module de calcul 27 de la courbe de polarisation, les grandeurs liées au système de refroidissement et en particulier la température T de la pile à combustible. Enfin, la 25 connexion 30 fournit la valeur correspondant à la quantité de monoxyde de carbone Xco contenue dans la pile à combustible. En sortie de la régulation, le bloc 31 reçoit la puissance instantanée calculée Pmes(t) correspondant à la puissance instantanée fournie par la pile à combustible 1. Cette valeur est ramenée par la boucle de réaction 32 sur une entrée négative de l'additionneur 33 à l'entrée du régulateur 25, réalisant ainsi un feedback ou rétroaction dans la boucle fermée. L'utilisation des seules grandeurs électriques pour le système de commande permet de réaliser une commande à partir du débit d'hydrogène sans avoir besoin d'utiliser les estimateurs habituels dont la fiabilité est mauvaise. De plus, l'utilisation de la boucle fermée permet d'améliorer les performances dynamiques du système dont le temps de réponse est particulièrement réduit. L'utilisation de la boucle fermée permet également de supprimer les perturbations et d'annuler l'erreur statique que l'on pouvait rencontrer dans une régulation en boucle ouverte. De plus, on constate globalement une diminution de la consommation en carburant du reformeur grâce à l'utilisation de la commande en boucle fermée par rapport à une commande en boucle ouverte. En effet, lors d'une brusque variation de la puissance demandée pendant une période transitoire, la commande est plus rapide par rapport à une commande en boucle ouverte. De ce fait, la batterie électrique du véhicule est moins sollicitée et la consommation de carburant qui aurait été nécessaire pour recharger la batterie est diminuée. Il en résulte effectivement une consommation inférieure, bien que lors d'une phase transitoire d'augmentation de la puissance demandée, un débit de carburant plus important soit utilisé pour augmenter les performances.

Enfin, l'utilisation de grandeurs électriques permet de mettre en oeuvre des capteurs simples, de faible coût, tels que wattmètres, ampèremètres ou voltmètres. La figure 3 montre la répartition de l'énergie électrique entre les différents organes utilisateurs dans un véhicule automobile. On

14 retrouve sur la figure 3 le reformeur 2 et la pile à combustible 1. Les connexions électriques 32, issues de la pile à combustible 1, permettent de transmettre la puissance électrique fournie à un dispositif survolteur 33, par exemple du type hacheur, puis, par les connexions 34, à la batterie 35 du véhicule, et par les connexions 36, à la chaîne de traction du véhicule, référencée 37 dans son ensemble, et comprenant par exemple un dispositif onduleur, au moins un moteur électrique d'entraînement, un dispositif réducteur et une transmission de couple. Le couple fourni est transmis par l'axe de sortie 38 aux roues 39 du véhicule automobile. La puissance électrique peut encore être transmise par les connexions 40 à différents organes auxiliaires du véhicule, par exemple des moteurs d'entraînement du système de ventilation ou de climatisation, référencés 41 dans leur ensemble. Enfin, la puissance électrique est également transmise par les connexions 42, en amont du survolteur 33, c'est-à-dire directement à la sortie de la pile à combustible 1, aux organes auxiliaires 43 du module de puissance. Ceux-ci peuvent comprendre par exemple les différents moteurs d'entraînement du compresseur 11 ou de la pompe d'alimentation en carburant du reformeur, de la pompe d'entraînement du fluide de refroidissement dans le circuit 18, etc. Les rnesures électriques qui peuvent être utilisées dans la commande pour la détermination de la puissance fournie par la pile à combustible Pmes(t), peuvent être ainsi choisies à différents endroits du circuit électrique en fonction des besoins. Ces grandeurs électriques peuvent être notamment : I(t), Ustack(t), qui sont respectivement le courant et la tension de l'empilement des cellules de la pile à combustible 1,

15 - laux(t), UauX(t), qui sont le courant et la tension aux bornes des organes auxiliaires 43 du module de puissance, Ibat(t), Ubat(t), qui sont le courant et la tension aux bornes de la batterie 35, - Iaux,veb(t), qui est le courant fourni aux organes auxiliaires 41 du véhicule. On comprend finalement que, pour l'élaboration de la commande en boucle fermée, on peut utiliser directement un wattmètre pour la mesure de la puissance instantanée P(t) fournie par la pile à combustible ou la combinaison d'un ampèremètre et d'un voltmètre. Mais, il est également possible d'utiliser les autres variables électriques mentionnées ci-dessus. Si l'on utilise par exemple le courant et la tension aux bornes de la batterie, il suffira de connaître les caractéristiques du hacheur 33, et notamment son rendement et son rapport cyclique, pour déduire de la mesure du courant et de la tension aux bornes de la batterie, la puissance instantanée fournie par la pile à combustible. La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention, adapté au cas où la boucle de commande du débit de carburant et la boucle de commande du débit d'air comburant présentent une constante de temps du même ordre de grandeur. Dans ce cas, le dispositif de reformage 2 est plus performant que dans le mode de réalisation de la figure 2, son temps de réponse étant proche de celui du système de commande du débit et de la pression de l'air comburant. Il est alors préférable de ne pas utiliser uniquement les grandeurs électriques pour le système de commande, mais de compléter la commande par une information relative au point de fonctionnement du système de commande d'air comburant en temps réel.

16 Les éléments similaires à ceux de la figure 2 portent les mêmes références sur la figure 4. On retrouve la boucle de régulation fermée avec le retour 32 des grandeurs électriques mesurées à la sortie 31. La puissance instantanée demandée Pdem(t) est amenée par la connexion 44 à l'entrée de deux cartographies 45 et 46, permettant de déterminer respectivement le débit d'air demandé Qair-dem et la pression d'air demandée Pair-dem• Ces données sont fournies à un deuxième régulateur 47 qui agit sur le bloc 48 qui constitue un modèle du groupe de compression 3. Une connexion de retour 49 assure la régulation par rétroaction sur l'entrée négative d'un additionneur 50. Les grandeurs mesurées du débit d'air Qair-mes et de la pression d'air Pair-mes calculées par le bloc 48, sont amenées sur une entrée du bloc 27 et sur une entrée d'un bloc de calcul 51. Un bloc 52 reçoit sur son entrée les valeurs mesurées de la température de la pile à combustible T, de la quantité Xca de monoxyde de carbone présente dans la pile à combustible et du courant électrique I fourni par la pile à combustible. Le signal de sortie du bloc 52, qui reprend l'ensemble de ces données, est amené, d'une part sur une entrée du bloc de calcul 51 et d'autre part sur une entrée du bloc 27. La valeur de la puissance mesurée Pmes(t) issue du bloc 27 modélisant la courbe de polarisation de la pile à combustible est également transmise par la connexion 52a, à une entrée du bloc de calcul 51. Le bloc de calcul 51 déduit de l'ensemble des données d'entrée une valeur de débit de carburant Qfäei_ffwd. Pour ce calcul, le bloc de calcul 51 prend en compte la puissance instantanée mesurée qui est fonction des différentes grandeurs précitées, sous la forme : Pmes = f (T, Qair' QH2, P r' XCO, 1) (5) Par ailleurs, en fonctionnement statique, le débit de carburant peut être défini par la relation : Qfuel = QKZ (6) La combinaison de ces deux relations permet d'en déduire la valeur : Qfuel-ffwd = h(T, Qair' Pair, Xc0, I, Pmes) (7) Cette valeur de débit de carburant est amenée sur l'une des entrées positives d'un additionneur 53, qui reçoit par ailleurs la valeur du débit de carburant issue du régulateur 25 de la première boucle de régulation fermée. On obtient ainsi, non seulement une rétroaction ( feedback ) comme dans l'exempleprécédent illustré sur la figure 2, mais également une action positive dépendant de la régulation de l'air comburant ( feedforward ). C'est la valeur Qfuel(t) du débit de carburant qui résulte de la combinaison de ces deux actions, qui est utilisée par le bloc 26 pour déterminer le débit d'hydrogène QH2(t) amené ensuite à l'entrée du bloc 27. On notera que la structure des systèmes de commande qui ont été décrits, est indépendante de la technologie de reformage utilisée, qu'il s'agisse d'un reformage catalytique, d'un reformage par plasma froid, avec ou sans l'utilisation de membranes de purification en hydrogène. La structure des systèmes de commande est également indépendante de l'architecture de la chaîne de traction. Les systèmes de commande qui viennent d'être décrits peuvent ainsi être utilisés avec n'importe quel type de module de puissance et de chaîne de traction.

Claims

REVENDICATIONS

1-Système de commande d'un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible (1) alimentée par un dispositif de reformage (2) capable de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné et d'air, la pile à combustible fournissant une puissance électrique, comprenant des capteurs de mesure des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, au moins un capteur de la température de la pile à combustible, et un module (27) de détermination de la tension électrique de la pile à combustible à partir des grandeurs mesurées par les capteurs, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un capteur de mesure d'une grandeur électrique à la sortie de la pile à combustible et une boucle de régulation fermée comprenant un premier régulateur (25) et une rétroaction (32) par la grandeur électrique mesurée.

2-Système de commande selon la revendication 1 comprenant en outre au moins un capteur de mesure de monoxyde de carbone dans la pile à combustible, relié au module de détermination de la tension électrique de la pile à combustible.

3-Système de commande selon les revendications 1 ou 2 comprenant en outre une boucle de régulation ouverte comprenant un deuxième régulateur (47) de l'alimentation en air et un module de calcul (51, 52) d'un débit de carburant en fonction des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, de la température de la pile à combustible et de la grandeur électrique mesurée, la valeur calculée du débit de carburant étant amenée à la sortie du premier régulateur (25). 19

4-Système de commande selon la revendication 3 comprenant au moins un capteur de mesure de monoxyde de carbone dans la pile à combustible, relié au module de calcul d'un débit de carburant.

5-Système de commande selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens de mémorisation de cartographies (45, 46) de la pression et du débit d'air en fonction de la puissance électrique demandée.

6-Système de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel le module de détermination de la tension électrique de la pile à combustible est capable de déterminer une courbe de polarisation de la pile à combustible.

7-Système de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de reformage est représenté par une fonction de transfert du type K(QQ,el ) 1 +r(Qfue[)t'

8-Système de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel capteur de mesure d'une grandeur électrique précité est monté de façon à mesurer, soit le courant et/ou la tension en sortie de la pile à combustible, soit le courant et/ou la tension à la sortie d'au moins un organe auxiliaire de la pile à combustible, soit le courant et/ou la tension à la sortie d'une batterie d'accumulation reliée à la pile à combustible.

9-Procédé de commande d'un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible (1) alimentée par un dispositif de reformage (2) capable de produire un gaz riche en hydrogène à partir d'un carburant hydrocarboné et d'air à partir de caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, de la température de la pile à combustible par détermination de la tension électrique de la pile à combustible, caractérisé par le fait 20 qu'on mesure au moins une grandeur électrique à la sortie de la pile à combustible et on procède à une régulation en boucle fermée avec rétroaction par la grandeur électrique mesurée.

10-Procédé de commande selon la revendication 9 dans lequel on mesure également le monoxyde de carbone présent dans la pile à combustible.

11-Procédé de commande selon les revendications 9 ou 10 dans lequel on procède en outre à une régulation en boucle ouverte du débit de carburant en fonction des caractéristiques de l'air alimentant le dispositif de reformage, de la température de la pile à combustible et de la grandeur électrique mesurée, la valeur calculée du débit de carburant étant prise en compte dans la première régulation.15