TITRE : SYSTEME D’ALIMENTATION HYBRIDE PAR PILE A COMBUSTIBLE ET PAR BATTERIE

La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2101407 déposée le 15.02.2021 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

L’invention se rapporte au domaine des dispositifs et systèmes de contrôle électronique d’une alimentation hybride par pile à combustible et par batterie. Ce système est particulièrement adapté à l’alimentation d’un moteur de traction de véhicule électrique.

Ce type de système comprend généralement un montage complexe avec des circuits imbriqués et de nombreux composants. Dans ce montage, on retrouve un module d’alimentation par pile à combustible comprenant une pile à combustible. Ce module est relié au moteur afin de l’alimenter. En outre, on retrouve un module d’alimentation par batterie comprenant une batterie. Ce module est relié au moteur afin de l’alimenter.

Les systèmes électroniques proposés dans l’art antérieur ne sont pas satisfaisants car les circuits complexes imbriqués ont des risques de défauts et pannes. Ces systèmes impliquent des convertisseurs de courant continu (type DCDC) entre la batterie et le moteur et/ou entre la pile à combustible et le moteur. Les convertisseurs doivent être dimensionnés en conséquence, généralement sur 40 à 80 kW. Plus le convertisseur demande de puissance, plus il est rare, ce qui complexifie la production de ce type de systèmes électroniques.

En outre, le basculement d’une alimentation fait intervenir une architecture de commande de plusieurs interrupteurs marche-arrêt, avec de même un risque de défaut de commande.

De plus, ces systèmes ne combinent pas suffisamment les deux modes d’alimentation de sorte qu’une amélioration apparaît possible.

Ainsi, un premier objectif de proposer des circuits simplifiés de sorte à limiter significativement les risques de défauts et pannes. Un deuxième objectif est de simplifier l’architecture de commande pour avoir une commande permettant de passer facilement et rapidement d’une alimentation à l’autre.

Un troisième objectif est de proposer un montage combinant mieux les deux modes alimentation.

Pour atteindre ces objectifs, l’invention propose un système de contrôle électronique d’une alimentation hybride par pile à combustible et par batterie pour véhicule automobile, le système comprenant

- un module d’alimentation par pile à combustible comprenant à une pile à combustible,

- un module d’alimentation par batterie comprenant une batterie,

- un module de connexion de moteur comprenant un onduleur et un moteur,

- au moins un moyen de commutation configuré pour connecter le module de connexion de moteur alternativement au module d’alimentation par pile à combustible, ou au module d’alimentation par batterie,

- un module de calculateur configuré pour estimer une puissance de moteur demandée par le moteur, et pour commander ledit moyen de commutation vers l’un ou l’autre module d’alimentation en fonction d’une part de la puissance de moteur, et d’autre part de la puissance de la pile à combustible et/ou de la puissance de la batterie.

Avantageusement, l’agencement du système selon l’invention est simplifié. Ainsi, il limite significativement les risques de défauts et pannes. Le système assure qu’une seule alimentation est connectée au moteur à la fois et jamais les deux en même temps. Selon un aspect, ledit moyen de commutation est un commutateur présentant une première position pour connecter le module d’alimentation par pile à combustible, et une deuxième position pour connecter le module d’alimentation par batterie. Avantageusement, avoir uniquement deux positions de commutation simplifie la commande de commutation d’une alimentation à l’autre et limite les risques de défaut de commande.

Selon un autre aspect, le module d’alimentation par batterie est connecté au module d’alimentation par pile à combustible en incluant un module de convertisseur de courant continu disposé entre la batterie et la pile à combustible. Avantageusement, cela permet de mettre à profit la pile pour recharger la batterie lors d’une alimentation par la batterie.

Selon d’autres aspects pris isolément, ou combinés selon toutes les combinaisons techniquement réalisables : - le module de calculateur est configuré pour comparer la puissance de moteur demandée par le moteur à au moins un seuil de puissance, et pour commander ledit moyen de commutation vers le module d’alimentation par pile à combustible si la puissance de moteur est inférieure audit seuil de puissance, ou vers le module d’alimentation par batterie si la puissance de moteur est supérieure audit seuil de puissance ; et/ou

- le seuil de puissance dépend de la différence de puissance entre le module d’alimentation par pile à combustible et la puissance du convertisseur de courant continu; et/ou

- le module de calculateur comprend un temporisateur de sorte à commander le moyen de commutation si ledit seuil est franchi pendant plus d’un temps déterminé ; et/ou

- le module de calculateur est configuré pour commander l’onduleur de sorte à annuler la puissance allouée au moteur pendant la mise en œuvre d’une commutation ; et/ou - le module de calculateur est configuré pour commander le convertisseur de courant continu de sorte à annuler la puissance qui lui est allouée pendant la mise en œuvre d’une commutation.

L’invention porte en outre sur un procédé de contrôle électronique d’une alimentation hybride par pile à combustible et par batterie pour véhicule automobile, l’alimentation comprenant

- un module d’alimentation par pile à combustible comprenant une pile à combustible,

- un module d’alimentation par batterie comprenant une batterie,

- un module de connexion de moteur comprenant un onduleur connecté à un moteur, le procédé comprenant

- une étape pour estimer une puissance de moteur demandée par le moteur,

- au moins une étape de commutation pour commander une commutation de connexion du module de connexion de moteur alternativement au module d’alimentation par pile à combustible, ou au module d’alimentation par batterie, ladite commande étant en fonction de la puissance de la pile à combustible et/ou de la puissance de la batterie.

De préférence, le procédé de contrôle comprend en outre une étape pour recharger la batterie en cas de commutation vers le module d’alimentation par batterie, au moyen de la pile à combustible via une connexion entre les modules d’alimentation par pile à combustible et par batterie incluant un module de convertisseur de courant continu disposé entre la batterie et la pile à combustible. Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de contrôle selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.

L’invention a également trait à un véhicule automobile comprenant - un système de contrôle électronique selon l’invention,

- une pile à combustible, et

- un onduleur et une batterie.

L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :

- [Fig.1 ] illustre schématiquement un système de contrôle électronique selon un premier mode de réalisation préféré de l’invention ; et

- [Fig.2] illustre schématiquement un système de contrôle électronique selon un deuxième mode de réalisation préféré. L’invention concerne un système de contrôle électronique pour une alimentation de moteur M de traction de véhicule électrique. Il s’agit d’une alimentation hybride par une pile à combustible FC et par une batterie B.

Le système de contrôle électronique comprend un module d’alimentation par pile à combustible. Il s’agit d’un montage électronique pour connecter une pile à combustible FC à d’autres composants pour faire fonctionner l’alimentation.

Par module est entendu une structure électronique comprenant des moyens de connexion entre différents composants. Le module peut inclure des composants non-décrits dans la présente demande, selon les connaissances de l’homme du métier.

Le système de contrôle électronique comprend en outre un module d’alimentation par batterie. Il s’agit d’un montage électronique pour connecter une batterie B à d’autres composants pour faire fonctionner l’alimentation.

Le système de contrôle électronique comprend en outre un module de connexion de moteur. Il s’agit d’un montage électronique pour connecter un moteur M à une alimentation, en incluant de préférence un onduleur O.

Le système de contrôle électronique comprend en outre au moins un moyen de commutation C. Ce moyen de commutation C est configuré pour connecter le module de connexion de moteur alternativement au module d’alimentation par pile à combustible, ou au module d’alimentation par batterie.

Avantageusement, l’agencement par du système selon l’invention est simplifié. Ainsi, il limite significativement les risques de défauts et pannes. Le système assure qu’une seule alimentation est connectée au moteur à la fois et jamais les deux en même temps.

Selon un aspect de l’invention, ledit moyen de commutation C est un commutateur présentant une première position 1 pour connecter le module d’alimentation par pile à combustible, et une deuxième position 2 pour connecter le module d’alimentation par batterie. Avantageusement, ce type de commutateur peut basculer rapidement entre les modules d’alimentation grâce à un montage simplifié évitant des erreurs ou défauts de commandes qu’il pourrait y avoir dans le cas d’une utilisation d’interrupteurs ouvert/fermé. Cette variante simplifie la production du système de contrôle et en limite la maintenance.

Le commutateur peut être réalisé de manière électromécanique ou purement électronique. Selon le cas, il peut avoir un temps de commutation d’environ 100ms pour l’électromécanique ou de quelques microsecondes pour l’électronique. La commutation n’est pas perceptible en utilisation.

Le système de contrôle électronique comprend en outre un module de calculateur m configuré pour commander ledit moyen de commutation C. Le module de calculateur m permet de commuter vers l’un ou l’autre module d’alimentation. Dans le cadre de l’invention, la commutation se fait en fonction de la puissance de la pile à combustible FC et/ou de la puissance de la batterie B, au regard d’une puissance de moteur Pm demandée par le moteur M.

Ainsi, le module de calculateur m est configuré pour estimer une puissance de moteur Pm demandée par le moteur M. Ensuite, le module de calculateur m, peut alors commander ledit moyen de commutation C vers l’un ou l’autre module d’alimentation par exemple en fonction de la puissance de la pile à combustible FC.

Avantageusement, le module de calculateur m permet d’adapter la puissance demandée à la puissance disponible dans la pile à combustible FC ou la batterie B au moyen d’un montage simplifié et rapide.

Selon une variante, le module d’alimentation par batterie est connecté au module d’alimentation par pile à combustible en incluant un module de convertisseur de courant continu DC disposé entre la batterie B et la pile à combustible FC. Une telle variante peut être illustrée par la figure 1 . Avantageusement, cette variante permet de recharger la batterie B en cas de commutation vers le module d’alimentation par batterie. Le rechargement est fait au moyen de la pile à combustible FC via une connexion au convertisseur de courant continu DC puis à la batterie B. En outre, elle permet de sous- dimensionner le système de contrôle électronique car le module de convertisseur DC a besoin de moins de puissance que dans l’art antérieur.

Alternativement, le système de contrôle électronique peut être mis en œuvre sans connexion entre le module d’alimentation par batterie et le module d’alimentation par pile à combustible, et sans module convertisseur de courant continu DC. On pourra parler de modules d’alimentation isolées l’une de l’autre et/ou de pile FC et batterie B isolées l’une de l’autre. Une telle variante peut être illustrée par la figure 2. Avantageusement, cela permet d’avoir davantage de sous-dimensionnement du système de contrôle électronique avec de très bonnes performances.

Selon une variante, le contrôle du moyen de commutation est fait en fonction d’au moins un seuil de puissance. A cet effet, le module de calculateur m est configuré pour comparer la puissance de moteur Pm demandée par le moteur M à un tel seuil de puissance. Si le seuil est dépassé, et le module de calculateur m pourra commander une commutation vers le module d’alimentation voulu. Ainsi, si la puissance de moteur Pm est inférieure audit seuil de puissance, alors ledit moyen de commutation C peut être commuté vers le module d’alimentation par pile à combustible.

Ainsi, si la puissance de moteur Pm est supérieure audit seuil de puissance, alors ledit moyen de commutation C peut être commuté vers le module d’alimentation par batterie.

De préférence, le seuil de puissance dépend de la différence de puissance entre le module d’alimentation par pile à combustible et la puissance du convertisseur de courant continu DC. Certains constructeurs prévoient une batterie B de 80kW et une pile à combustible FC de 40kW. D’autres proposent une configuration inverse. La première configuration est préférée car à haute puissance, la batterie B est plus fréquente et il est plus facile de s’en procurer, ce qui facilite la production du système d’alimentation. Selon la configuration, l’alimentation la plus puissante est sollicitée lorsque le besoin de puissance correspondant survient. En utilisation, la puissance moyenne est de 40kW. Dans la variante préférée, l’énergie correspondante provient de la pile à combustible FC. Lors d’une accélération par exemple à un départ de péage, une puissance maximale est requise. A ce moment, l’énergie correspondante provient plutôt de la batterie B. En général, l’utilisation est à 80-90% du temps en dessous de la puissance maximale, par exemple à environ 40-50 kW, donc alimentée par la pile à combustible FC dans la configuration préférée.

Dans la variante illustrée, le convertisseur DC peut être dimensionné à environ 8,8 kW pour un système de contrôle électronique fonctionnel dans la configuration préférée. Un convertisseur à 40kW ou à 80 kW n’est pas nécessaire. Cela facilite la production du système de contrôle électronique.

Selon une variante, le module de calculateur m comprend un temporisateur de sorte à commander le moyen de commutation C si ledit seuil est franchi pendant plus d’un temps déterminé. Cette variante permet de ne pas tenir compte de variations de puissance instantanées qui pourraient générer des commutations non désirées.

Selon une variante, le module de calculateur m est configuré pour commander l’onduleur O de sorte à annuler la puissance allouée au moteur M pendant la mise en œuvre d’une commutation. En outre, selon une variante, le module de calculateur m est configuré pour commander le convertisseur de courant continu DC de sorte à annuler la puissance qui lui est allouée pendant la mise en œuvre d’une commutation. Cela permet d’éviter des défauts électriques en reconnectant le moteur M ou le convertisseur DC après la commutation.

L’invention concerne en outre un procédé de contrôle électronique d’une alimentation hybride par pile à combustible FC et par batterie B pour véhicule automobile. Les étapes du procédé peuvent être des actions des composants d’un système de contrôle électronique tel que décrit précédemment.

Le système d’alimentation comprend un module d’alimentation par pile à combustible comprenant une pile à combustible FC. Le système d’alimentation comprend en outre un module d’alimentation par batterie comprenant une batterie B. Le système d’alimentation comprend en outre un module de connexion de moteur comprenant un onduleur O connecté à un moteur M.

Le procédé comprend une étape pour estimer une puissance de moteur Pm demandée par le moteur M. Cette étape peut être réalisée en tenant compte du degré d’enfoncement de la pédale d’accélérateur du véhicule électrique. Le procédé comprend en outre au moins une étape de commutation pour commander une commutation de connexion du module de connexion de moteur alternativement au module d’alimentation par pile à combustible, ou au module d’alimentation par batterie.

Ladite commande est en fonction de la puissance de la pile à combustible FC et/ou de la puissance de la batterie B.

Selon l’invention, le procédé comprend en outre une étape pour recharger la batterie B en cas de commutation vers le module d’alimentation par batterie. Ce rechargement se fait au moyen de la pile à combustible FC chargeant la batterie B par l’intermédiaire d’un module de convertisseur de courant continu DC. En d’autres termes, le module de convertisseur de courant continu DC est disposé entre la batterie B et la pile à combustible FC.

Concernant un exemple sur la base de la variante illustrée en figure 1, de manière générale, la puissance maximale de la pile à combustible FC peut être P1, et la tension V1. Concernant la batterie B, cela peut être P2, et la tension V2. Concernant le convertisseur de courant continu DC, cela peut être P3, et pour le moteur M, Pmax. Dans la variante illustrée Pmax est strictement inférieur à P2.

Concernant maintenant le procédé de commande dans cet exemple, si la puissance demandée par le moteur M est inférieure à un certain pourcentage p de (P1 - P3), alors le commutateur C est en position 1 , c'est-à-dire vers la pile à combustible FC.

Le convertisseur DC est actif et consomme une puissance maximum égale à P3. Tant que la puissance demandée Pm reste inférieure à p ^* (P1 -P3), on reste dans cette position 1. Pm peut être estimé en fonction d’un degré d’enfoncement de la pédale d’accélérateur P.

Si la puissance demandée dépasse p ^* (P1 -P3), alors le module de calculateur m envoie une commande à l’onduleur O pour annuler la puissance demandée par le moteur M. En outre, le module de calculateur m envoie optionnellement une commande au module de convertisseur DC pour qu’il arrête d’envoyer du courant vers la batterie B.

Le module de calculateur m envoie ensuite une commande vers le commutateur C pour qu’il passe en position 2 c'est-à-dire vers la batterie B. Il envoie ensuite une commande à l’onduleur O pour qu’il restaure la puissance demandée par le moteur M.

Tant que la puissance demandée reste supérieure à p ^* (P1 -P3), on reste en position 2.

Si la puissance demandée descend sous cette valeur on arme un temporisateur. Tant que le temps du temporisateur n’est pas écoulé, et que la puissance reste inférieure à p ^* (P1 -P3), on reste en position 2.

Si la puissance repasse au-dessus de p ^* (P1 -P3), on arrête le temporisateur.

Lorsque la puissance repasse sous p ^* (P1 -P3), on réarme le temporisateur.

Lorsque la puissance reste inférieure à p ^* (P1 -P3) plus longtemps que le temporisateur, le module de calculateur m envoie une commande à l’onduleur O pour annuler la puissance fournie au moteur M. Ensuite, il envoie une commande pour passer le commutateur C en position 1 .

Ensuite, il envoie une commande au convertisseur DC pour qu’il alimente à nouveau la batterie DC. Ensuite, il envoie un ordre à l’onduleur O pour que celui-ci restaure la puissance fournie au moteur M.

Alternativement, il est possible de garder actif le convertisseur DC lorsque on passe en position 2. Avantageusement, ce mode de réalisation permet de réduire la puissance du convertisseur DC, contrairement aux architectures « classiques où la puissance du convertisseur DC est égale à la puissance de la pile à combustible FC.

Le temps de transition d’un état vers l’autre peut conduire à une perte de traction puisque durant ces transitions la puissance fournie au moteur est annulée, mais pendant un temps imperceptible.

Concernant un exemple similaire sur la base de la variante illustrée en figure 2 sans convertisseur DC, les paramètres de puissance et tension de la pile FC et de la batterie B, ainsi que de puissance moteur sont les mêmes que dans l’exemple précédent, mais sans aucune puissance P3 étant donné qu’il n’y a pas de convertisseur DC.

Avantageusement, ce mode de réalisation permet de sous-dimensionner davantage le système de contrôle électronique en enlevant le convertisseur DC.

L’invention concerne en outre un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé de contrôle tel que décrit précédemment, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. Le programme peut par exemple être chargé dans la mémoire d’un calculateur du module de calculateur m tel que décrit précédemment. L’invention a également trait à un véhicule automobile comprenant

- un système de contrôle électronique tel que décrit précédemment,

- une pile à combustible (FC), et

- un onduleur (O) et une batterie (B).