FR3047844A1 - Procede de regulation de la temperature d'une pile a combustible et systeme associe - Google Patents
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Abstract
Un procédé de régulation de la température d'une pile à combustible (1) traversée par un circuit de refroidissement (2) dans lequel circule un fluide caloporteur mis en mouvement par une pompe (3), ledit circuit (2) comprenant une vanne trois voies (5), un échangeur thermique (4) monté entre la sortie de la pile (1) et une première entrée (51) de la vanne (5), et un conduit de contournement (22) monté entre une seconde entrée (52) de la vanne (5) et l'entrée de l'échangeur thermique (4), le procédé comprenant : - une détermination du point de fonctionnement de la pile à combustible (1), et - une commande de la vitesse de rotation de la pompe (3) et une commande de la position de la vanne trois voies (5), lesdites deux commandes étant réalisées en fonction dudit point de fonctionnement de la pile (1), d'une consigne de température de fluide caloporteur (CT) et d'une consigne de différence de température de fluide caloporteur (CΔT) entre l'entrée et la sortie de la pile (1).
Description
Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la régulation en température d'un dispositif d'alimentation électrique et plus particulièrement d'une pile à combustible.
La température de la pile à combustible a une importance d'une part sur l'état de santé de la pile en elle-même, une température trop importante dégradant le système et les matériaux présentant une limite physique en température, et, d'autre part, sur le rendement de puissance, aussi bien électrique et thermique, et sur la puissance électrique que l'on peut extraire.
Il est donc important de pouvoir réguler cette température à une valeur souhaitée. Cette régulation passe par le contrôle des échanges thermiques entrant et sortant de la pile qui comprennent la réaction chimique au sein de la pile qui apporte une puissance thermique à la pile dépendant de la puissance électrique soutirée et les dissipations de puissance. La puissance thermique dégagée par la réaction chimique ne pouvant être modifiée, ce sont les dissipations de puissance thermique qu'il faut réguler.
La régulation en température d'une pile à combustible a donc pour objectif de compenser les perturbations thermiques de la pile et/ou de poursuivre une évolution de consigne en température de la pile.
Il existe de nombreuses solutions de dissipation thermique comme la dissipation dans l'air. D'une manière générale, il a été choisi de réguler la température de la pile à combustible en dissipant la chaleur dans un fluide caloporteur, ou liquide de refroidissement, parcourant un circuit de refroidissement. Ce liquide de refroidissement sert généralement d'intermédiaire pour prélever la chaleur dégagée par la réaction chimique dans la pile grâce à une portion de circuit parcourant la pile à combustible et la dissiper dans l'air dans une autre partie du circuit de refroidissement
Un schéma traditionnel de régulation en température de la pile à combustible est montré sur la figure 1. Selon ce schéma, le refroidissement de la pile 101 est assuré par un fluide caloporteur parcourant la pile 101 via un circuit de refroidissement 109 qui parcourt des plaques bipolaires de la pile absorbant ainsi les calories dégagées par la réaction de la pile 101. Le fluide caloporteur est alimenté par une source froide 111 reliée au circuit de refroidissement 109. La source froide 111 peut être un échangeur thermique de type aérotherme. Par ailleurs, le circuit de refroidissement 109 est commandé par une boucle de commande 105 munie d'un moyen de commande 105a qui régule le débit Qc du fluide caloporteur en fonction d'une mesure de température Tsm du fluide caloporteur à la sortie de la pile 101.
Cependant, cette boucle de commande 105 répond uniquement à un besoin d'asservissement en température de la pile 101 et ne répond pas à des problèmes de sécurité qui peuvent surgir par exemple, en cas d'une défaillance de la modulation du débit en fluide caloporteur ou d'autres modes de panne.
Il est connu du document EP 2 015 385 une régulation de température d'une pile à combustible à l'aide d'une commande de deux variables relatives au débit et à la température du fluide caloporteur de refroidissement au niveau de la source froide à partir de deux mesures relatives à la température du fluide en sortie de la pile à combustible et au débit de fluide caloporteur en entrée de la pile à combustible.
Cependant, pour réguler la température de la pile à combustible de manière efficace et en toute sécurité pour la pile à combustible, il est en outre nécessaire de tenir compte d'une contrainte relative à la différence de température entre la température du fluide caloporteur en amont de la pile à combustible et la température du fluide caloporteur en aval de la pile à combustible. Cette différence de température ne doit pas excéder une valeur maximale.
Cette contrainte de différence de température maximale a pour but d'assurer l'intégrité de la pile étant donné que cette différence de température de fluide caloporteur est aussi présente à l'intérieur de la pile à combustible.
Ainsi, la température du fluide caloporteur doit être régulée et la différence de température entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible doit respecter la contrainte avec les principales perturbations extérieures relatives, d'une part, à une puissance thermique ajoutée par la pile qui est variable dans le temps en fonction de l'intensité de courant délivrée par la pile, les variations de puissance importantes pouvant varier entre 0 et 17,5 kW thermiques par exemple, et, d'autre part, à une température d'air en entrée de l'aérotherme variable selon une dynamique relativement lente.
Les données relatives à la puissance thermique ajoutée et à la température d'air sont à priori inconnues directement. Mais il peut être possible de reconstruire la puissance thermique de la réaction chimique et ainsi de prendre en compte cette donnée pour la régulation.
Dans le cadre d'un fonctionnement en stabilisé de la pile à combustible, la température de la pile doit suivre le profil de consigne sous une puissance variable.
En plus des éléments de la figure 1, l'architecture comprend généralement une vanne trois voies montée sur le circuit de refroidissement avec une voie d'entrée couplée en sortie de l'échangeur thermique, une voie de sortie couplée à l'entrée de la pompe éventuellement via un réservoir de fluide caloporteur, et une autre voie d'entrée couplée en amont de l'échangeur thermique via un circuit de bypass permettant de dévier une partie du fluide caloporteur en sortie de la pile à combustible pour ne pas la faire passer par l'échangeur thermique.
Avec une telle architecture de circuit de régulation de température de la pile à combustible ainsi que des plages de variation de puissance thermique et de variation de température de l'air extérieur importantes, la régulation de la température demande d'avoir des actionneurs très précis et donc très coûteux, notamment pour ce qui est de la vanne trois voies.
Nous avons ici trois moyens de commande qui sont la vitesse de rotation de la pompe de fluide caloporteur, la vitesse de rotation du ventilateur d'air d'aérotherme, et la position de la vanne trois voies, et deux paramètres régulés qui sont l'écart de température de fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible et la température de sortie du fluide caloporteur en sortie de la pile à combustible.
Dans le cadre d'un système dont le nombre de moyens de commande est supérieur au nombre de paramètres à contrôler comme c'est le cas ici, la stratégie n'est pas simple à adopter. Toutefois, cela permet d'admettre des tolérances supplémentaires sur les organes de commande.
En simplifiant les actionneurs, par une tolérance accrue sur leurs caractéristiques, comme par exemple la relation du débit en fonction de la position d'une vanne trois voies ou encore d'une pompe, on peut réduire les coûts de ces équipements.
En effet, l'échange thermique entre l'air et le fluide caloporteur peut être modifié soit par le débit d'air, en jouant sur la vitesse de rotation des ventilateurs donc, soit par le débit de fluide caloporteur, en jouant sur la vanne trois voies et sur la pompe donc.
De plus, l'échange thermique et la différence de température entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible peuvent être modifiés par la pompe seulement avec une modulation de sa vitesse de rotation. Toutefois, en dynamique, les autres actionneurs relatifs au débit d'air et la vanne trois voies ont un impact sur cette différence de température.
Le coefficient d'échange thermique de la pile à combustible, noté hS, est très important ce qui implique d'avoir un très faible écart en statique entre la température moyenne de la pile et la température moyenne du liquide de refroidissement dans la pile.
Les deux débits d'air et de fluide caloporteur dans l'aérotherme ne sont pas interchangeables dans la régulation. En effet, le débit de liquide de refroidissement impacte la dynamique de la boucle de fluide caloporteur. Le débit d'air se positionne en circuit secondaire de la boucle de refroidissement.
Au niveau de l'aérotherme, afin d'évacuer la puissance thermique, il y a une infinité de couples de solutions entre le débit d'air et le débit de fluide caloporteur pour un échange thermique donné pour une différence de température entre l'air et le fluide caloporteur aux entrées de l'aérotherme. Le choix d'un couple modifie les températures en sortie de l'aérotherme.
Le débit d'air de l'aérotherme est contrôlé par la vitesse de rotation des ventilateurs. De façon générale, la régulation de débit d'air par ce type de procédé est fortement imprécise et plus particulièrement dans le temps de par la dégradation des échanges thermiques, la température extérieure méconnue, l'encrassement, etc.
Pour rappel, les deux principales exigences sont la régulation de la température de la pile à combustible, c'est-à-dire la température du fluide caloporteur observée en sortie de la pile, ainsi qu'une contrainte sur la différence de température de fluide caloporteur dans la pile c'est-à-dire la différence de température entre l'entrée et la sortie.
Pour cela, on a potentiellement trois paramètres sur lesquels on peut agir qui sont la vitesse de rotation de la pompe de fluide caloporteur, la vitesse de rotation du ventilateur d'air d'aérotherme, et la position de la vanne trois voies.
Les principaux problèmes sont de garder l'exigence de contrainte sur la différence de température entre l'entrée et la sortie de pile, ce qui laisse une liberté supplémentaire au système, de ne pas pouvoir modifier comme on le souhaite le débit de fluide caloporteur si l'on veut respecter la différence de température, le fait que la régulation du débit d'air reste imprécise, et le fait que la vanne trois voies est un organe sur étagère peu coûteux et dont la résolution n'est pas excellente pour venir à elle seule réguler la température de la pile dans toutes conditions.
Une première possibilité est de fixer le débit de fluide caloporteur à une valeur telle que l'on couvre la contrainte sur la différence de température, de fixer le débit d'air dans l'aérotherme à une valeur telle que l'on puisse couvrir la plage d'échange thermique souhaitée, et d'utiliser un ratio d'ouverture entre les deux entrées et la sortie de la vanne trois voies pour réguler la température de sortie du fluide caloporteur en sortie de la pile à combustible.
Cette possibilité reste malheureusement très contraignante pour la vanne trois voies qui doit avoir une précision très importante sur le ratio de débit qu'elle contrôle.
Objet et résumé de l’invention L'invention vise à fournir une stratégie de commande de la régulation de température du fluide caloporteur pour refroidir une pile à combustible permettant de compenser les incertitudes inter- et intra-matérielles, et ainsi de réduire le niveau de précision requis pour un élément en particulier, tel que la vanne trois voies.
Il est proposé dans un premier objet, un procédé de régulation de la température d'une pile à combustible traversée par un circuit de refroidissement dans lequel circule un fluide caloporteur mis en mouvement par une pompe, le circuit de refroidissement comprenant une vanne trois voies et un échangeur thermique monté entre la sortie de la pile à combustible et une première entrée de la vanne trois voies, ladite vanne trois voies comportant une seconde entrée couplée à l'entrée de l'échangeur thermique via un conduit de contournement de l'échangeur thermique.
Selon une caractéristique générale de cet objet, le procédé comprend : - une détermination du point de fonctionnement de la pile à combustible, et - une commande de la vitesse de rotation de la pompe et une commande de la position de la vanne trois voies en fonction dudit point de fonctionnement de la pile à combustible, d'une consigne de température de fluide caioporteur et d'une consigne de différence de température de fluide caioporteur entre l'entrée et la sortie de la pile combustible.
Pour réaliser les deux commandes, un module de correction prend en entrée les deux consignes (celle de température et celle de différence de température) avec les mesures de température ainsi que la mesure ou la reconstitution de la puissance thermique générée par la réaction. Ce module de correction calcule les commandes des actionneurs de la pompe et de la vanne 3-voies. Cette commande peut être monovariable, c'est-à-dire avec une seule variable, ou de type multi-variables 2*2.
Le module de correction prend en compte TE, la température du liquide de refroidissement en entrée de la pile , TS, la température du liquide de refroidissement en sortie de la pile, ΔΤ, la différence de température du liquide de refroidissement entre l'entrée et la sortie de la pile, ΔΤ=TE-TS, CT, la consigne de température de sortie de la pile, et CAT, la consigne de différence de température entre l'entrée et la sortie de la pile, pour déterminer CDE_PO, la commande de la pompe, CDE_VA, la commande de la vanne trois voies, et CDE_AERO, la commande du ventilateur aérotherme.
Le module de correction détermine en outre un vecteur de mesures MES_REG = [TS , ΔΤ], un vecteur de consigne CONS = [CT, CAT], un vecteur d'état Xm du système, et un vecteur de commande CDE = [CDE_PO, CDE_VA], le vecteur d'état Xm étant généré par la connaissance du vecteur de commande CDE et la connaissance de la puissance soutirée ou de la puissance thermique calculée, et un vecteur d'entrée de sollicitation système étendu noté U = [CDE, PWTH].
Un exemple de commande multi-variables est exprimé par : CDE (k) = Al CONS - A2 MES_REG - B Xm (k) avec Al, A2, B des fonctions ou matrices et Xm (k) = F Xm (k - 1) + G U (k - 1) avec F, G des fonctions ou matrices.
Un exemple de commande mono variable est exprimé par : CDE_PO (k) = [CT - TS] A + CDE_PO(k-n) B CDE_VA (k) = [CDT - DT] A + CDE_VA(k-n) B Ce procédé permet de réguler de manière simple la température de la pile à combustible autour d'une valeur maximale de température de la pile à combustible et d'une valeur maximale de différence de température au sein de la pile à combustible, tout en réduisant le degré de précision des composants du système de régulation et notamment de la vanne trois voies.
La régulation de la différence de température permet d'éviter les fluctuations de gradient thermique au sein de la pile à combustible, notamment les fluctuations entre les températures en entrée et en sortie de la pile à combustible, qui peuvent dégrader la pile prématurément.
En effet, au lieu de garder une contrainte sur la différence de température de fluide caloporteur dans la pile inférieure à une valeur maximale, le procédé permet de réguler cette différence de température à une valeur de consigne en modulant le débit de fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement en fonction du point de fonctionnement de la pile à combustible.
Pour les points de fonctionnement bas, par exemple à basse puissance thermique générée par la pile à combustible, le procédé commande une diminution du débit de fluide caloporteur dans le circuit de contournement de l'aérotherme et permet ainsi d'augmenter la précision de débit de fluide caloporteur dans l'échangeur thermique.
Par rapport aux régulations connues agissant uniquement sur la vanne trois voies pour faire varier le débit de fluide caloporteur traversant l'échangeur thermique, il est préférable de rajouter dans la stratégie de régulation le débit de fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement en agissant sur la pompe plutôt que le débit d'air commandé par les ventilateurs de l'échangeur thermique : - d'une part, car il existe déjà une contrainte liée au débit de fluide caloporteur et que l'utilisation du débit d'air ajouterait un critère qu'il faudrait choisir à cause du nombre infini de couples solutions, - d'autre part, car, de façon générale, le débit généré par la pompe est plus précis que celui d'un ventilateur, - et enfin, car utiliser le débit de fluide caloporteur fourni par la pompe en tant que paramètre supplémentaire permet d'agir une seconde fois, en plus de la vanne trois voies, sur le débit de fluide caloporteur dans l'aérotherme ce qui permet d'avoir plus de précision, ou de résolution, pour la régulation de l'échange thermique.
En effet, le débit d'air agit en tant que second paramètre dans l'échange thermique, avec une sensibilité différente et plus particulièrement pour atteindre les points de fonctionnement bas.
Selon un premier mode de réalisation du procédé de régulation de la température d'une pile à combustible, il comprend en outre une commande du débit d'air de l'échangeur thermique à partir desdites commandes de vitesse de rotation de la pompe et de position de la vanne trois voies et en fonction dudit point de fonctionnement de la pile à combustible.
Etablir une fonction sur le débit d'air permet de diminuer le gradient de l'échange thermique de l'aérotherme par rapport à une variation du débit de fluide caloporteur dans celui-ci, c'est-à-dire une variation de commande sur la vanne trois voies.
En effet, la prise en compte dans la loi de commande d'un actionneur supplémentaire, les ventilateurs de l'aérotherme, pour la régulation permet de dé-contraindre la vanne trois voies en termes de résolution qu'elle doit avoir et ainsi de ne pas avoir à utiliser de vannes trois voies extrêmement précises qui sont généralement assez chères.
Dans ce premier mode de réalisation, la commande du débit d'air de l'échangeur thermique est déterminée en utilisant une fonction choisie parmi une fonction continue dépendant du point de fonctionnement de la pile à combustible, une fonction continue dépendant du débit de fluide caloporteur, et une fonction continue dépendant du produit du débit de fluide caloporteur par le ratio de débit de fluide caloporteur dans l'aérotherme.
La fonction que l'on choisit pour le débit d'air peut réduire les contraintes sur la résolution de la vanne trois voies aux points de fonctionnement bas. En diminuant le débit d'air pour les points de fonctionnement bas, on aura plus de précision sur l'échange thermique.
Selon un second mode de réalisation du procédé de régulation de la température d'une pile à combustible, le point de fonctionnement de la pile à combustible est déterminé en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi la puissance thermique générée par la pile, la température du fluide caloporteur en sortie de la pile à combustible, la température du fluide caloporteur en entrée de la pile à combustible, et la différence de température du fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible.
Dans ce second mode de réalisation, la valeur de la puissance thermique générée par la pile à combustible est mesurée ou déterminée à partir d'un paramètre de fonctionnement de la pile à combustible.
Dans un autre objet de l'invention, il est proposé un système de régulation de la température d'une pile à combustible traversée par une partie d'un circuit de refroidissement, le système comprenant le circuit de refroidissement dans lequel circule un fluide caloporteur et sur lequel sont montés une pompe apte à mettre en mouvement le fluide caloporteur dans ledit circuit de refroidissement, une vanne trois voies et un échangeur thermique apte à dissiper la chaleur contenue dans le fluide caloporteur dans un autre milieu et raccordé entre la pile à combustible et une première entrée de la vanne trois voies, ladite vanne trois voies comportant une seconde entrée raccordée à l'entrée de l'échangeur thermique via un conduit de contournement de l'échangeur thermique et une sortie raccordée au moins indirectement en entrée de la pile à combustible.
Selon une caractéristique générale de cet objet, le système comprend une unité de régulation de température comportant : - des moyens de détermination du point de fonctionnement de la pile à combustible, - des moyens de calcul d'une commande de la vitesse de rotation de la pompe et d'une commande de la position de la vanne trois voies en fonction dudit point de fonctionnement de la pile à combustible, d'une consigne de température de fluide caloporteur et d'une consigne de différence de température de fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie de la pile combustible, et - des moyens de commande aptes à délivrer au moins la commande de la vitesse de rotation de la pompe à la pompe et la commande de la position de la vanne trois voies à la vanne trois voies.
Selon un premier mode de réalisation du système de régulation de la température d'une pile à combustible, l'échangeur thermique est un aérotherme et l'unité de régulation comprend en outre des moyens de calcul de la commande de l'aérotherme apte à calculer la vitesse souhaitée de rotation des ventilateurs de l'aérotherme en fonction de la commande de la vitesse de rotation de la pompe, de la commande de la position de la vanne trois voies et du point de fonctionnement de la pile à combustible.
Dans ce premier mode de réalisation, les moyens de calcul de la commande de l'aérotherme sont configurés pour déterminer la vitesse de rotation des ventilateurs de l'aérotherme en utilisant une fonction choisie parmi une fonction continue dépendant du point de fonctionnement de la pile à combustible, une fonction continue dépendant du débit de fluide caloporteur, et une fonction continue dépendant du produit du débit de fluide caloporteur par le ratio de débit de fluide caloporteur dans l'aérotherme.
Selon un second mode de réalisation du système de régulation de la température d'une pile à combustible, l'unité de régulation de température comporte en outre au moins un capteur parmi un premier capteur de température du fluide caloporteur monté en sortie de la pile à combustible, un deuxième capteur de température du fluide caloporteur monté en entrée de la pile à combustible, et un troisième capteur de température apte à mesurer la puissance thermique générée par la pile ou apte à mesurer avantageusement l'information de la puissance électrique soutirée, image de la puissance thermique générée par la pile.
Le système de régulation comprend en outre un moyen de calcul apte à calculer la différence de température du fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible
Dans encore un autre objet, il est proposé une pile à combustible comprenant un système de régulation de la température d'une pile à combustible tel que défini ci-dessus.
Brève description des dessins. L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà présentée, représente schématiquement une pile à combustible dotée d'un système de refroidissement selon l'état de l'art ; - la figure 2 présente de manière schématique une pile à combustible dotée d'un système de régulation de la température selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation de l'unité de régulation de la figure 2 de manière plus détaillée ; - la figure 4 présente un logigramme d'un procédé de régulation de la température d'une pile à combustible selon un mode de mise en œuvre de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
Sur la figure 2 est représentée de manière schématique une pile à combustible 1 dotée d'un système de régulation de la température selon un mode de réalisation de l'invention.
Le système de régulation de la température de la pile à combustible 1 comprend un circuit de refroidissement 2 dans lequel circule un fluide caloporteur, ou liquide de refroidissement, qui peut être de l'eau. Une partie 21 du circuit de refroidissement traverse la pile à combustible 1 par un parcours, ici en formant un serpentin, de manière à maximiser la surface d'échange entre les cellules électrochimiques de la pile à combustible 1 et le circuit de refroidissement 2.
Le système de régulation comprend en outre une pompe 3, un échangeur thermique 4, une vanne trois voies 5 et un réservoir 6.
La pompe 3 est montée sur le circuit de refroidissement 2 en entrée, c'est-à-dire en amont par rapport au sens de circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 2, de la pile à combustible 1. Son actionnement permet de mettre en mouvement le fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 2 à un débit dépendant de sa vitesse de rotation.
Le réservoir 6 de fluide caloporteur est monté sur le circuit de refroidissement 2 en amont de la pompe 3. Le réservoir 6 a pour rôle d'assurer une pression de référence en jouant un rôle de vase d'expansion.
Dans le mode de réalisation illustré, l'échangeur thermique 4 est un aérotherme muni de ventilateurs à air et configuré pour réaliser un échange thermique entre le fluide caloporteur transporté dans le circuit de refroidissement 2 et de l'air.
La vanne trois voies 5 raccordée au circuit de refroidissement 2 comprend une première voie 51 configurée comme voie d'entrée et couplée en sortie de l'aérotherme 4, une seconde voie 52 également configurée comme voie d'entrée, et une troisième voie 53 configurée comme voie de sortie et raccordée dans l'exemple illustré à l'entrée du réservoir 6.
Ainsi, l'aérotherme 4 est raccordé sur le circuit de refroidissement 2 entre la sortie de la pile à combustible 1 et la première entrée 51 de la vanne trois voies 5.
Le circuit de refroidissement 2 comprend en outre un conduit de contournement 22 de l'aérotherme 4 couplé sur le circuit de refroidissement 2 entre l'entrée de l'aérotherme 4 et la seconde voie 52 de la vanne trois voies 5.
Pour permettre de déterminer et commander la régulation de la température de la pile à combustible 1, le système de régulation comprend en outre une unité de régulation 7 électriquement raccordée à la pompe 3, à l'échangeur thermique 4 et à la vanne trois voies 5 pour pouvoir leur délivrer des signaux de commande. Le système de régulation comprend également un premier capteur de température 8 monté en sortie de la pile à combustible 1 pour mesurer la température du fluide caloporteur Ts dans le circuit de refroidissement 2 en sortie de la pile à combustible 1, et un second capteur de température 9 monté en entrée de la pile à combustible 1 pour mesurer la température du fluide caloporteur Te dans le circuit de refroidissement 2 en entrée de la pile à combustible 1.
Les deux capteurs 8 et 9 sont couplés à l'unité de régulation 7 pour délivrer les informations relatives aux mesures de température.
Sur la figure 3 est présentée de manière plus détaillée l'unité de régulation 7 de la figure 2 qui met en oeuvre le procédé présenté sur la figure 4.
Dans le mode de réalisation illustré, l'unité de régulation 7 comprend un module 10 de réception des consignes, un module 11 de détermination du point de fonctionnement et tout particulièrement de la puissance thermique de la pile à combustible 1, un module 12 de calcul des commandes pour la pompe 3 et la vanne trois voies 5, un module 13 de calcul de la commande des ventilateurs de l'aérotherme 4, et un module 14 de transmission des commandes aux trois actionneurs, à savoir la pompe 3, l'aérotherme 4 et la vanne trois voies 5.
Dans une première étape 400 de l'exemple de procédé de régulation présenté, le module 10 de réception des consignes reçoit une première consigne Ct de température de la pile à combustible 1, correspondant à la température du fluide caloporteur en sortie de la pile 1, et une seconde consigne 0Δτ de différence de température dans la pile à combustible 1, c'est-à-dire la différence de température du fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible 1. Les première et seconde consignes Cj et 0Δτ peuvent être pré-programmées, c'est-à-dire stockées en mémoire dans l'unité de régulation, mais aussi issues d'une source externe tel qu'un moyen de supervision de niveau hiérarchique supérieur.
Dans une deuxième étape 405, le module 11 de détermination du point de fonctionnement reçoit les signaux de mesures délivrés par le premier capteur 8 et le second capteur 9 correspondant respectivement à la température du fluide caloporteur Ts mesurée en sortie de la pile à combustible 1 et à la température du fluide caloporteur TE mesurée en entrée de la pile à combustible 1.
Dans cette étape, le module 11 de détermination du point de fonctionnement reçoit également une mesure relative à la puissance thermique P générée par la réaction électrochimique produite au sein de la pile à combustible 1. Selon le mode de réalisation, cette puissance thermique P peut être soit mesurée directement, à l'aide par exemple de capteurs de température implantés au sein de la pile entre les plaques ou indirectement par reconstruction à l'aide de l'information de la puissance électrique soutirée (courant et tension aux bornes) en ayant l'estimation du rendement énergétique. Classiquement, en valeur approchée, le rendement retenu est de 50%.
Dans le mode de réalisation illustré, le module 11 de détermination du point de fonctionnement détermine la différence de température ΔΤ à partir du calcul de la différence entre la température du fluide caloporteur Ts mesurée en sortie de la pile à combustible 1 et la température du fluide caloporteur TE mesurée en entrée de la pile à combustible 1.
Dans une troisième étape 410, le module 11 détermine le point de fonctionnement de la pile à combustible à partir des valeurs mesurées et/ou déterminées de la puissance thermique P, des températures TE et Ts en entrée et en sortie de la pile à combustible 1, et de la différence de température ΔΤ dans la pile à combustible 1.
Le point de fonctionnement ainsi déterminé par le module 11 et les consignes CT et CAT reçues par le module 10 sont transmis au module 12 de calcul des commandes pour la pompe 3 et la vanne trois voies 5.
Le module 12 calcule alors, dans une quatrième étape 415, les commandes pour la pompe 3 et la vanne trois voies 5, et plus particulièrement une commande de la vitesse de rotation de la pompe 3 pour réguler le débit du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 2 et une commande de la position de la vanne trois voies 5 pour réguler la quantité, et donc le débit, de fluide caloporteur traversant l'aérotherme 4. Ces commandes permettent ainsi de réguler à la fois la température de la pile à combustible 1 et la différence de température au sein de la pile à combustible 1.
Dans une variante dans lequel le module 11 et le module 12 sont réalisés en un seul module, un exemple de calcul des deux commandes pour la pompe 3 et la vanne trois voies 5 comprend une détermination d'un état d'équilibre à partir d'un modèle cartographié et en fonction des deux consignes reçues CT et Cat et de la puissance thermique P. On calcule ensuite l'écart entre les mesures de température des différents capteurs et l'état d'équilibre ainsi calculé. On calcule ensuite les commandes de débit de fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement 2 et de débit de fluide caloporteur dans l'aérotherme 4 puis on reconstruit les commandes de vitesse de rotation de la pompe et de position de la vanne trois voies à partir des deux commandes de débit en les limitant au domaine auxquelles elles peuvent appartenir.
Dans une cinquième étape 420, on contraint les deux commandes ainsi déterminées dans les limites du domaine d'emploi connu des organes commandés et on transmet ces commandes ainsi que le point de fonctionnement déterminé par le module 11 au module 13 de calcul de la commande de l'aérotherme 4.
Le module 13 calcule alors, dans une sixième étape 425, une commande de la vitesse de rotation des ventilateurs de l'aérotherme 4 en fonction des données reçues en entrée du module 13.
La prise en compte dans la loi de commande des ventilateurs de l'aérotherme 4 pour la régulation permet de dé-contraindre la vanne trois voies 5 en termes de résolution qu'elle doit avoir et ainsi de ne pas avoir à utiliser une vanne trois voies extrêmement précise qui est généralement assez chère.
Dans une septième étape 430, la commande de la vitesse de rotation des ventilateurs de l'aérotherme 4 est contrainte au domaine d'emploi desdits ventilateurs et est transmise au module 14 de transmission qui reçoit également les commandes pour la pompe 3 et la vanne trois voies 5 délivrées par le module 12.
Enfin, dans une huitième étape 435, le module 14 délivre la commande de vitesse de rotation de la pompe 3 à ladite pompe 3, la commande de la position de la vanne trois voies 5 à ladite vanne trois voies 5, et la commande de vitesse de rotation des ventilateurs de l'aérotherme 4 audit aérotherme 4.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé de régulation de la température d'une pile à combustible (1) traversée par un circuit de refroidissement (2) dans lequel circule un fluide caloporteur mis en mouvement par une pompe (3), le circuit de refroidissement (2) comprenant une vanne trois voies (5) et un échangeur thermique (4) monté entre la sortie de la pile à combustible (1) et une première entrée (51) de la vanne trois voies (5), ladite vanne trois voies (5) comportant une seconde entrée (52) couplée à l'entrée de l'échangeur thermique (4) via un conduit de contournement (22) de l'échangeur thermique (4), caractérisé en ce que le procédé comprend : - une détermination du point de fonctionnement de la pile à combustible (1), et - une commande de la vitesse de rotation de la pompe (3) et une commande de la position de la vanne trois voies (5), lesdites deux commandes étant réalisées en fonction dudit point de fonctionnement de la pile à combustible (1), d'une consigne de température de fluide caloporteur (Ct) et d'une consigne de différence de température de fluide caloporteur (Cât) entre l'entrée et la sortie de la plie à combustible (1).
- 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une commande du débit d'air de l'échangeur thermique (4) en fonction de la commande de vitesse de rotation de la pompe (3), de la commande de position de la vanne trois voies (5) et dudit point de fonctionnement de la pile à combustible (1).
- 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la commande de débit d'air de l'échangeur thermique (4) est déterminée en utilisant une fonction choisie parmi une fonction continue dépendant du point de fonctionnement de la pile à combustible (1), une fonction continue dépendant du débit de fluide caloporteur, et une fonction continue dépendant du produit du débit de fluide caloporteur par le ratio de débit de fluide caloporteur dans l'aérotherme (4).
- 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le point de fonctionnement de la pile à combustible (1) est déterminé en fonction d'au moins un des paramètres parmi : - la puissance thermique (P) générée par la pile à combustible (1), - la température du fluide caloporteur (Ts) en sortie de la pile à combustible (1), - la température du fluide caloporteur (Te) en entrée de la pile à combustible (1), et - la différence de température du fluide caloporteur (ΔΤ) entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible (1).
- 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la valeur de la puissance thermique (P) générée par la pile à combustible (1) est mesurée ou déterminée à partir d'un paramètre de fonctionnement de la pile à combustible (1).
- 6. Système de régulation de la température d'une pile à combustible (1) traversée par une partie (21) d'un circuit de refroidissement (2), le système comprenant le circuit de refroidissement (2) dans lequel circule un fluide caloporteur et sur lequel sont montés une pompe (3) apte à mettre en mouvement le fluide caloporteur dans ledit circuit de refroidissement (2), une vanne trois voies (5) et un échangeur thermique (4) apte à dissiper la chaleur contenue dans le fluide caloporteur dans un autre milieu et raccordé entre la pile à combustible (1) et une première entrée (51) de la vanne trois voies (5), ladite vanne trois voies (5) comportant une seconde entrée (52) raccordée à l'entrée de l'échangeur thermique (4) via un conduit de contournement (22) de l'échangeur thermique (4) et une sortie (53) raccordée au moins indirectement en entrée de la pile à combustible (1), caractérisé en ce qu'il comprend une unité de régulation de température (7) comportant : - des moyens (11) de détermination du point de fonctionnement de la pile à combustible (1), - des moyens (12) de calcul d'une commande de la vitesse de rotation de la pompe (3) et d'une commande de la position de la vanne trois voies (5) en fonction dudit point de fonctionnement de la pile à combustible (1), d'une consigne de température de fluide caloporteur (Ct) et d'une consigne de différence de température de fluide caloporteur (0Δτ) entre l'entrée et la sortie de la pile à combustible (1), et - des moyens (14) de commande aptes à délivrer au moins la commande de la vitesse de rotation de la pompe (3) à la pompe (3) et la commande de la position de la vanne trois voies (5) à la vanne trois voies (5).
- 7. Système selon la revendication 6, dans lequel l'échangeur thermique (4) est un aérotherme et l'unité de régulation (7) comprend en outre des moyens (13) de calcul de la commande de l'aérotherme (4) aptes à calculer la vitesse de rotation des ventilateurs de l'aérotherme (4) en fonction de la commande de la vitesse de rotation de la pompe (3), de la commande de la position de la vanne trois voies (5) et du point de fonctionnement de la pile à combustible (1).
- 8. Système selon la revendication 7, dans lequel les moyens (13) de calcul de la commande de l'aérotherme (4) sont configurés pour déterminer la vitesse de rotation des ventilateurs de l'aérotherme (4) en utilisant une fonction choisie parmi une fonction continue dépendant du point de fonctionnement de la pile à combustible (1), une fonction continue dépendant du débit de fluide caloporteur, et une fonction continue dépendant du produit du débit de fluide caloporteur par le ratio de débit de fluide caloporteur dans l'aérotherme (4).
- 9. Système selon l'une des revendications 6 à 8, comprenant en outre au moins un capteur parmi : - un premier capteur (8) de température du fluide caloporteur monté en sortie de la pile à combustible, - un deuxième capteur (9) de température du fluide caloporteur monté en entrée de la pile à combustible, et - un troisième capteur de température apte à mesurer la puissance thermique ou à réaliser un ensemble de mesures de température à délivrer à un moyen de calcul apte à calculer ladite puissance thermique générée par la pile.
- 10. Pile à combustible (1) comprenant un système de régulation de la température d'une pile à combustible selon l'une des revendications 6 à 9.
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