Dispositif et procédé de commande du débit d'air pour pile à combustible.
L'invention concerne un dispositif et un procédé de commande du débit d'air pour pile à combustible avec reformage, destiné à générer une puissance électrique d'alimentation au moteur de traction d'un véhicule automobile.
Un système 1 d'alimentation électrique par pile à combustible 2, permettant de générer de la puissance électrique à partir de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air tel que représenté schématiquement sur la figure 1, comporte un reformeur 3, permettant de générer de l'hydrogène à partir d'un carburant 4 tel que de l'essence ou de l'éthanol par exemple, associé à un brûleur 5 destiné à élever la température du reformer. Il comprend également un ensemble d'équipements auxiliaires tels qu'un compresseur d'air motorisé 6 suivi d'un refroidisseur 7 d'air, un turbocompresseur 8 actionné par les gaz d'échappement du brûleur, un circuit d'eau avec un réservoir 9 entre autres.
Une pile à combustible est un générateur de courant qui transforme l'énergie d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue. Elle comprend principalement deux électrodes reliées extérieurement par un circuit électrique, et séparées par un électrolyte. L'anode A est alimentée par de l'hydrogène provenant du reformeur 3 et la cathode C est alimentée par l'oxygène de l'air. Ce courant électrique produit alimente le moteur électrique de traction du véhicule et une batterie de stockage.
Le reformeur produit de l'hydrogène, à partir d'un hydrocarbure riche en hydrogène H2, en présence d'air et par catalyse, ainsi que du monoxyde de carbone CO entre autres qui risque de polluer la pile à combustible. Pour pallier cet inconvénient, le reformeur ajoute de l'eau pour le transformer en dioxyde de carbone CO2. Cette eau peut être obtenue par condensation de la vapeur produite par la pile et récupérée dans des condenseurs 10.
L'oxygène devant alimenter la cathode provient de l'air fourni par le compresseur d'air 6 motorisé, qui alimente également le reformeur 3. Il est important de comprimer l'air pour que sa pression, à l'entrée de la cathode de la pile à combustible, soit voisine de deux bars afin que la pile ait un meilleur rendement en puissance, notamment en maintenant humide la membrane entre les deux électrodes. De plus, une forte pression permet de récupérer, grâce aux condenseurs, un maximum d'eau en sortie de la pile à combustible, cette eau devant servir au reformeur. Le débit d'air fourni par le compresseur motorisé 6 dépend principalement de la vitesse de rotation de son moteur 11 , mais également des conditions de fonctionnement du système d'alimentation électrique par pile à combustible, en température et en pression. Or l'évolution de ce débit d'air doit avoir lieu de façon précise et rapide sur toute la plage de fonctionnement de la pile à combustible pour assurer un bon comportement du système d'alimentation électrique en réponse à la demande du conducteur.
Le problème consiste à réguler le débit d'air en fonction des variations de comportement du groupe de compression, doté de débitmètres 12 en sortie du compresseur et en entrée de la pile à combustible, dont les temps de réponse sont trop longs ou la précision insuffisante pour une bonne adaptation aux véhicules automobiles.
En effet, il faut que le courant fourni par la pile à combustible réponde à la demande du conducteur, or, si la réaction chimique dans la pile à combustible est instantanée, le reformeur et le groupe de compression de l'air pénalisent le temps de réponse. Le débit d'air devrait passer de 10 à 100 % en trois secondes.
Dans le brevet JP 200 3217 624, au nom de NISSAN MOTOR CO, LTD, est décrite une estimation de la pression partielle d'oxygène dans la pile par mesure de courant et de tension. Le but est le contrôle du débit d'air malgré le comportement non prédictible du compresseur. C'est une estimation en boucle ouverte sans prise en compte de la notion de temps de réponse des débitmètres.
Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients en tenant compte de la fonction de transfert entre la vitesse du moteur du compresseur et le débit d'air, qui varie non linéairement selon la pression et la température de fonctionnement.
Pour cela, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande du débit d'air délivré par un ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre devant alimenter en oxygène une pile à combustible, par asservissement du débit d'air à une consigne déterminée à partir d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur, imposée par le conducteur, caractérisé en ce qu'il est réalisé par une unité de contrôle électronique, qui asservit le débit d'air réel mesuré par le débitmètre à une consigne de débit pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur. Selon une autre caractéristique du dispositif de commande du débit, l'unité de contrôle comprend un observateur qui reconstruit les états de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre à partir de la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur et du débit d'air mesuré par le débitmètre.
Un second objet de l'invention est un procédé mis en oeuvre par le dispositif de commande du débit d'air fourni par un compresseur motorisé associé à un débitmètre à une pile à combustible, pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il consiste à asservir le débit d'air réel mesurépar le débitmètre à une consigne de débit , qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur imposée par le conducteur, pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur, et en ce qu'il comprend l'estimation du débit réel délivrée par un observateur à partir du débit d'air mesuré par le débitmètre et de la consigne destinée au moteur du compresseur, ladite consigne étant issue de moyens de régulation, qui reçoivent en entrée d'une part une première consigne obtenue en fonction de la puissance demandée par le conducteur et d'autre part une seconde consigne établie en fonction de l'estimation des trois états du système que sont le débit d'air mesuré, le débit d'air réel et sa dérivée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation, illustrée par les figures suivantes, qui sont, outre la figure 1 déjà décrite qui représente un système d'alimentation électrique par pile à combustible : la figure 2 : un schéma fonctionnel d'un dispositif de commande du débit d'air pour une pile à combustible, la figure 3 : les variations des deux débits Qré[beta][iota] délivré par le compresseur motorisé et Qmesfourni par le débitmètre, obtenus au cours d'une simulation avec le modèle de validation et sur banc d'essai avec le système réel, la figure 4 : l'évolution des débits estimés et mesurés sur un changement de pression lors d'une simulation et lors d'un essai sur banc.
Comme le montre le schéma de la figure 2, le dispositif de commande du débit d'air devant alimenter en oxygène la pile à combustible est réalisé par une unité de contrôle électronique 20 dans le but de contrôler un ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre. Il doit asservir le débit d'air réel mesuré par le débitmètre à une consigne débit, qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur imposée par le conducteur, en pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur. Une position de la pédale correspond à une puissance demandée au module de puissance du véhicule, qui elle-même correspond à un débit de consigne
Qcons.
Ce dispositif de commande comprend des moyens de régulation 21 , recevant en entrée d'une part la consigne de débit Qconset d'autre part l'estimation Q du débit réel, délivrée par un observateur 22 destiné à reconstruire les états de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre, avec certaines hypothèses à partir de la consigne de vitesse de rotation [omega]consdu moteur et du débit d'air mesuré par le débitmètre Qmes.
L'observateur est construit à partir d'un modèle de validation de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre, tel que, d'une part, le compresseur et son moteur sont modélisés en deux parties : - une partie dynamique selon un modèle 23 du deuxième ordre défini par l'équation E1 suivante, entre la vitesse de rotation [omega]mesde l'arbre moteur du compresseur, mesurée par exemple par un capteur à effet Hall, et sa vitesse de consigne [omega]cons:
avec s la variable de La place [omega]nla pulsation propre du système compresseur motorisé [sigma] l'amortissement du système
- une partie statique selon une cartographie 24 donnant le débit Qrée[iota]en fonction de la vitesse de rotation et de la pression,
et tel que, d'autre part, le débitmètre est modélisé selon un modèle 25 du premier ordre défini par l'équation E2 suivante, entre le débit mesuré Qmespar le débitmètre et le débit réellement fourmi par le compresseur Qree[iota]:Device and method for controlling the air flow rate for a fuel cell.
The invention relates to a device and a method for controlling the air flow rate for a reformed fuel cell for generating electric power supply to the traction motor of a motor vehicle.
A fuel cell power supply system 1 for generating electrical power from hydrogen and oxygen in the air as shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a reformer 3 enabling to generate hydrogen from a fuel 4 such as gasoline or ethanol for example, associated with a burner 5 for raising the temperature of the reformer. It also comprises a set of auxiliary equipment such as a motorized air compressor 6 followed by an air cooler 7, a turbocharger 8 actuated by the burner exhaust gas, a water circuit with a reservoir 9 among others.
A fuel cell is a current generator that transforms the energy of a chemical reaction into an electric current continuously. It mainly comprises two electrodes connected externally by an electric circuit, and separated by an electrolyte. The anode A is supplied with hydrogen from the reformer 3 and the cathode C is supplied with oxygen from the air. This electric current produces power to the vehicle's electric traction motor and a storage battery.
The reformer produces hydrogen, from a hydrocarbon rich in hydrogen H2, in the presence of air and by catalysis, as well as carbon monoxide CO among others which may pollute the fuel cell. To overcome this disadvantage, the reformer adds water to transform it into CO2 carbon dioxide. This water can be obtained by condensation of the steam produced by the battery and recovered in condensers 10.
The oxygen to feed the cathode comes from the air supplied by the motorized air compressor 6, which also feeds the reformer 3. It is important to compress the air so that its pressure at the inlet of the cathode the fuel cell, being close to two bars so that the battery has a better power output, including keeping the membrane wet between the two electrodes. In addition, a high pressure makes it possible to recover, thanks to the condensers, a maximum of water at the outlet of the fuel cell, this water being used for the reformer. The air flow rate supplied by the motorized compressor 6 depends mainly on the rotational speed of its engine 11, but also on the operating conditions of the fuel cell electric power system, in terms of temperature and pressure. However, the evolution of this air flow must take place accurately and rapidly over the entire operating range of the fuel cell to ensure good behavior of the power supply system in response to the driver's request.
The problem consists in regulating the air flow as a function of the variations in the behavior of the compression group, equipped with flowmeters 12 at the outlet of the compressor and at the input of the fuel cell, whose response times are too long or the accuracy is insufficient. for a good adaptation to motor vehicles.
Indeed, it is necessary that the current supplied by the fuel cell responds to the driver's request, and if the chemical reaction in the fuel cell is instantaneous, the reformer and the air compression group penalize the time of the fuel cell. reply. The airflow should increase from 10 to 100% in three seconds.
JP 200 3217 624, in the name of NISSAN MOTOR CO, LTD, describes an estimation of the oxygen partial pressure in the cell by measurement of current and voltage. The goal is the control of the air flow despite the unpredictable behavior of the compressor. This is an open-loop estimation without taking into account the notion of flowmeter response time.
The object of the invention is to overcome these disadvantages taking into account the transfer function between the speed of the compressor motor and the air flow, which varies non-linearly according to the pressure and the operating temperature.
For this purpose, a first object of the invention is a device for controlling the air flow delivered by a motorized compressor assembly associated with a flowmeter for supplying oxygen to a fuel cell, by slaving the air flow to a determined setpoint. from a set point of the accelerator pedal, imposed by the driver, characterized in that it is performed by an electronic control unit, which slaves the actual air flow measured by the flow meter to a set point flow rate controlling the rotational speed setpoint of the compressor motor. According to another characteristic of the flow control device, the control unit comprises an observer who reconstructs the states of the motorized compressor assembly associated with a flowmeter from the compressor engine speed and engine speed reference. air measured by the flowmeter.
A second object of the invention is a method implemented by the air flow control device provided by a motorized compressor associated with a flowmeter to a fuel cell, for a motor vehicle, characterized in that it consists of enslave the actual air flow rate measured by the flowmeter to a flow setpoint, which is itself a function of a setpoint of the accelerator pedal position imposed by the driver, controlling the speed setpoint of the compressor motor , and in that it comprises the estimation of the actual flow delivered by an observer from the air flow rate measured by the flow meter and the setpoint intended for the compressor motor, said setpoint coming from regulation means, which receive on the one hand, a first setpoint obtained as a function of the power demanded by the driver and, on the other hand, a second setpoint based on the estimate of the three states of the The system is the measured airflow, the actual airflow and its derivative.
Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the description of an exemplary embodiment, illustrated by the following figures, which are, in addition to FIG. 1 already described, which shows a battery power supply system. FIG. 2: a block diagram of an air flow control device for a fuel cell, FIG. 3: the variations of the two Qre [beta] [iota] flows delivered by the motorized compressor and Qmes provided by the flowmeter, obtained during a simulation with the validation model and on a test bench with the real system, Figure 4: the evolution of the flow rates estimated and measured on a pressure change during a simulation and during a bench test.
As shown in the diagram of Figure 2, the air flow control device for supplying oxygen to the fuel cell is performed by an electronic control unit 20 for the purpose of controlling a motorized compressor assembly associated with a flow meter. It must enslave the actual air flow rate measured by the flow meter to a flow setpoint, which is itself a function of a set point of the accelerator pedal imposed by the driver, by controlling the rotation speed setpoint of the engine. A position of the pedal corresponds to a requested power of the vehicle power module, which itself corresponds to a setpoint flow
Qcons.
This control device comprises regulation means 21 receiving at the input on the one hand the flow setpoint Qconset on the other hand the estimate Q of the actual flow, delivered by an observer 22 intended to reconstruct the states of the compressor assembly. motorized associated with a flowmeter, with certain assumptions from the reference speed [omega] of the engine and the air flow measured by the Qmes flowmeter.
The observer is built from a validation model of the motorized compressor assembly associated with a flow meter, such that, on the one hand, the compressor and its motor are modeled in two parts: - a dynamic part according to a model 23 of the second order defined by the following equation E1, between the rotational speed [omega] of the compressor drive shaft, measured for example by a Hall effect sensor, and its setpoint speed [omega] cons:
with s the variable of The place [omega] nthe own pulsation of the motorized compressor system [sigma] damping of the system
a static part according to a map 24 giving the rate Qree [iota] as a function of the speed of rotation and the pressure,
and as, on the other hand, the flowmeter is modeled according to a first-order model defined by the following E2 equation, between the measured flow rate Qmespar the flowmeter and the actual flow rate delivered by the compressor Qree [iota]:
avec [tau] la constante de temps du débitmètre.
Pour simplifier le développement de la loi de commande, le modèle de conception du compresseur motorisé associé au débitmètre assimile la cartographie statique du compresseur à un gain K tel que le débit réel fourni par un compresseur est proportionnel à la vitesse de rotation mesurée [omega]mes, en négligeant l'influence de la pression :
with [tau] the time constant of the flowmeter.
To simplify the development of the control law, the design model of the motorized compressor associated with the flowmeter equates the static map of the compressor with a gain K such that the actual flow rate supplied by a compressor is proportional to the rotational speed measured [omega] my, neglecting the influence of pressure:
Cela permet de ramener l'ensemble à un système linéaire pour lequel on peut utiliser une structure de commande de type observateur-retour d'état. Le modèle de conception de l'ensemble compresseur motorisé associé à un débitmètre est défini par les équations suivantes :
This makes it possible to reduce the set to a linear system for which an observer-state return control structure can be used. The design model of the motorized compressor assembly associated with a flowmeter is defined by the following equations:
le gain Kobsde l'observateur pouvant être déterminé par exemple par une méthode d'optimisation H2.
La commande [omega]consenvoyée à l'ensemble de compression de l'air est égale à la somme d'une première consigne [omega][iota] , résultant du produit de la consigne de débit
Qconspar un premier gain de consigne F1 , et d'une seconde consigne [omega]2résultant du produit de l'estimation des trois états du système que sont le débit d'air mesuré Qmesle débit d'air réel Qrèelet sa dérivée Qreeldélivrée par l'observateur par un deuxième gain de consigne F2 :
les gains F1et F2pouvant être déterminés par exemple par optimisation H2.
Un second objet de l'invention est un procédé mis en oeuvre par le dispositif de commande du débit d'air fourni à une pile à combustible grâce à un compresseur motorisé associé à un débitmètre, pour véhicule automobile. Il consiste à asservir le débit d'air réel mesuré Qmesà une consigne de débit Qcons, qui est elle-même fonction d'une consigne de position de la pédale d'accélérateur imposée par le conducteur, en pilotant la consigne de vitesse de rotation du moteur du compresseur. Il comprend l'estimation du débit réel Qrèeldélivrée par un observateur à partir du débit d'air mesuré par le débitmètre et de la consigne [omega]consdestinée au moteur du compresseur. L'établissement de la consigne de vitesse [omega]consest réalisée par des moyens de régulation, recevant en entrée une première consigne [omega]1obtenue en fonction de la puissance demandée par le conducteur et une seconde consigne [omega]2établie en
le débit d'air réel à [upsilon] réel et sa dérivée [upsilon] n réel
Le procédé selon l'invention présente les avantages suivants : assurer la robustesse du contrôle, car, bien que la conception soit faite avec un gain fixe, le comportement de la loi avec une cartographie reste correct. Ce bon comportement est toujours valable avec le système réel. permettre une bonne reconstruction des états du système.
the Kobs gain of the observer can be determined for example by an optimization method H2.
The [omega] command sent to the air compression assembly is equal to the sum of a first setpoint [omega] [iota], resulting from the product of the setpoint of flow
Qconsparated by a first setpoint gain F1, and a second setpoint [omega] 2resulting from the product of the estimation of the three states of the system that are the measured airflow Qmesle the actual airflow Qrelet its derivative Qreeldelivered by the observer by a second setpoint gain F2:
the gains F1 and F2 can be determined for example by H2 optimization.
A second object of the invention is a method implemented by the air flow control device supplied to a fuel cell by means of a motorized compressor associated with a flow meter, for a motor vehicle. It consists in slaving the actual air flow rate measured Qmes to a flow setpoint Qcons, which is itself a function of a set point of the accelerator pedal imposed by the driver, by controlling the rotation speed setpoint of the compressor motor. It includes the estimation of the actual flow rate delivered by an observer from the air flow measured by the flowmeter and the setpoint [omega] for the compressor motor. The setting of the speed command [omega] is carried out by regulation means, receiving as input a first setpoint [omega] 1obtained according to the power demanded by the driver and a second setpoint [omega] 2 established in
the real airflow at [upsilon] real and its derivative [upsilon] n real
The method according to the invention has the following advantages: to ensure the robustness of the control, because, although the design is made with a fixed gain, the behavior of the law with a mapping remains correct. This good behavior is always valid with the real system. to allow a good reconstruction of the states of the system.
Les courbes représentées sur la figure 3 montrent les débits estimés Qmes-s[iota]muet Qréei-simuet les débits mesurés Qmes-essaiet Qréei-essaiobtenus au cours respectivement d'une simulation avec le modèle de validation de l'ensemble de compression, incluant la cartographie du compresseur et son gain K, et sur banc d'essai avec le système réel, pour les deux débits Qrée[iota]délivré par le compresseur motorisé et Qmesfourni par le débitmètre. La régulation de débit d'air se fait correctement et l'estimation du débit réel permet d'obtenir un débit plus rapidement que par le débitmètre.
Les courbes de la figure 4 représentent l'évolution des débits estimés Qmes-simuet Qréei-simuet des débits mesurés Qmes-essa[iota]et Qréei-essaisur un changement de pression lors d'une simulation et lors d'un essai sur banc respectivement. On constate que le rejet de perturbation est correct car le débit mesuré Qmesreste proche de la consigne Qcons, et que l'estimation du débit réel Qe iest toujours plus rapide que le débit mesuré
Qmesavec une même valeur statique.
La connaissance du débit d'air injecté dans la pile est indispensable pour la supervision du module de puissance, qui réalise la coordination entre les alimentations d'air et d'hydrogène et le courant demandé à la pile à combustible, pour répondre à la demande du conducteur en termes de puissance du moteur de traction du véhicule. Etant donné que le temps de réponse des débitmètres est généralement trop long par rapport aux dynamiques souhaitées pour le module de puissance, la mesure du débit d'air fournie par un débitmètre est remplacée par l'estimation du débit Q réalisée par l'invention, pour informer la supervision du débit d'air disponible et réaliser au mieux la réaction chimique dans la pile. Cette information obtenue plus rapidement que le signal issu du débitmètre permet donc d'obtenir une meilleure dynamique pour le module de puissance.The curves shown in FIG. 3 show the estimated flow rates Qmes-s [iota] mute Qreeimetric and the measured flow rates Qmes-testand Qreeither-test obtained during a simulation respectively with the validation model of the compression set, including the mapping of the compressor and its gain K, and on the test bench with the actual system, for the two flows Qree [iota] delivered by the motorized compressor and Qmesprovided by the flowmeter. The regulation of air flow is done correctly and the estimation of the real flow makes it possible to obtain a flow more quickly than by the flowmeter.
The curves in FIG. 4 represent the evolution of the estimated flow rates Qmes-simuet Qreei-simuet of the measured flow rates Qmes-essa [iota] and Qreei-tests on a pressure change during a simulation and during a bench test respectively . It is found that the disturbance rejection is correct because the measured flow Qmesreste close to the setpoint Qcons, and that the estimate of the actual flow Qe is always faster than the measured flow rate
Qmeswith the same static value.
The knowledge of the air flow injected into the cell is essential for the supervision of the power module, which coordinates the supply of air and hydrogen with the current required from the fuel cell, to meet the demand. of the driver in terms of the power of the traction motor of the vehicle. Since the response time of the flowmeters is generally too long compared to the desired dynamics for the power module, the measurement of the air flow rate supplied by a flowmeter is replaced by the estimate of the flow rate Q produced by the invention, to inform the supervision of the available airflow and to better realize the chemical reaction in the stack. This information obtained more quickly than the signal from the flow meter therefore provides a better dynamic for the power module.