Pile à combustible
Sherpa Engineering est impliqué, depuis le début des années 2000, dans les activités PAC dans le secteur automobile avec PSA et Renault.
L’acquisition d’une notoriété dans le contrôle commande et le diagnostic nous permet de mener des projets de recherche en partenariat avec PSA et le CEA dont l’une des retombées attendues est de développer un pôle de compétence français dans le domaine du système pile à combustible.
Les activités PAC de Sherpa
Autour du cœur de métier qui est le contrôle commande et le diagnostic, Sherpa a pris une part active dans le processus de conception du système pile et cela dès la spécification du système jusqu’à la validation sur table ou sur prototype véhicule.
Dimensionnement
Sherpa a été fortement impliqué dans la conception de l’architecture organique du système pile et dans le choix des organes des différents circuits (compresseur, radiateur, vannes de pilotage, …).
Notre contribution a consisté à valider les choix organiques en se basant sur un modèle dynamique de simulation du système pile et de son environnement (utilisation du formalisme j‑Graph).
Ce modèle construit autour des équations thermo-fluide du système prend en compte les caractéristiques de chaque organe et permet rapidement, de vérifier les exigences du système.
Système de contrôle commande (SCC)
Sherpa Engineering est en charge du pilotage du système pile composé de la pile à combustible, des circuits d’alimentation en hydrogène et en air et du circuit de refroidissement.
Le SCC comprend, en plus des lois de commande, le système de diagnostic et de surveillance de la pile ainsi que le superviseur général du système.
Optimisation des prestations véhicule
Cette partie stratégique vise à optimiser l’autonomie, le rendement et les performances du véhicule.
Le premier aspect est l’optimisation de la gestion d’énergie du véhicule par évaluation comparative de différentes stratégies de répartition entre la batterie et les réservoirs d’hydrogène.
Le second point est l’optimisation du dimensionnement de la chaîne de traction électrique, de la PAC et des batteries
Pilotage du système pile
Schéma de principe d’un système PAC
Sherpa Engineering a mis en place une démarche de conception du SCC à base de modèle reposant :
-
d’une part sur la décomposition hiérarchique du système
-
d’autre part sur l’utilisation d’une méthode de commande prédictive à base de modèle.
Cette démarche modulaire et efficace est facilement adaptable à d’autres systèmes pile, voire à des systèmes classiques analogues (gestion thermique d’un moteur thermique, …).
Modélisation du système pile
Le modèle du système PAC est utilisé dans les différentes étapes du cycle de développement : 
dimensionnement et validation de l’architecture organique, conception du SCC et du système de diagnostic et enfin définition du plan d’essais.
Bibliothèque de composants du circuit H2
Le modèle est construit à partir d’une bibliothèque métier développé par Sherpa Engineering.
Cette bibliothèque comprend des modèles de composants traduisant les principaux phénomènes thermodynamiques et hydrauliques et permettant une modélisation fine du système.
Elle couvre un grand nombre de composants : échangeur, pompe, compresseur, électrovanne, …
Architecture de commande
La stratégie développée par Sherpa Engineering repose sur la décomposition en sous-systèmes : l’architecture du système de pilotage est le dual de l’architecture organique. Cette stratégie assure une grande modularité. Ainsi la modification ou l’évolution d’un composant du système n’affecte que la partie duale du système de commande.
Conception des algorithmes de commande
Validation
progressive : validation locale de chacun des circuits (sur banc, avec une maquette) puis assemblage du SCC et validation avec la pile.
L’utilisation du modèle du système pile a permis une bonne préparation des essais : minimisation du nombre d’essais et précision des attendus.
Diagnostic du système pile
L’intégration d’une PAC dans un véhicule induit deux risques majeurs : risque lié à l’utilisation de l’hydrogène et risque de détérioration voire de casse de la pile entraînant un surcoût financier important.
Le système de diagnostic, indispensable y compris dans les projets prospectifs, s’articule donc autour de ces deux risques.
Détection de fuite d’hydrogène
Pour des raisons de sécurité de personne et de matériels la détection d’une fuite d’hydrogène est la première exigence de l’étude de sûreté de fonctionnement. La procédure mise en place permet, grâce aux capteurs de pression, la surveillance du circuit d’alimentation en hydrogène dès le réservoir de stockage à 700 bars jusqu’à la sortie pile à environ 1 bar.
La procédure est activée périodiquement et communique avec le système de surveillance permettant ainsi un arrêt immédiat du système pile dès la détection d’une fuite.
Surveillance et diagnostic
L’objectif est d’éviter toute détérioration de la pile voire même d’augmenter sa durée de vie. Ces points sont assurés par la surveillance des différentes grandeurs de la pile et le développement d’un système de détection de mauvais fonctionnements des principaux composants.
La surveillance de la pile est faite à travers :
- Les tensions des cellules avec une analyse statistique poussée ;
- Les pressions, stoechiométrie et taux d’humidité anodique et cathodique ;
- La température cœur de pile ainsi que les températures des fluides carburant et comburant.
La détection de défauts et de mauvais fonctionnements concerne les principaux organes des circuits (compresseur, humidificateur, électrovannes de pilotage, radiateur, pompe, …) ainsi que les boucles de régulation (débit d’air, pressions anode et cathode, température, stoechiométrie et puissance). Une analyse AMDEC a permis de sélectionner les défaillances critiques.
Méthodologie
La conception du système de diagnostic repose sur l’approche Fault Detection and Identification (FDI) basée sur un modèle de connaissance du système pile. La confrontation de ce modèle avec les mesures permet de calculer des relations de redondance analytique (RRA) ou des résidus pour l’identification du ou des composants défaillants. La détection d’une défaillance déclenche alors un mode dégradé dont la gestion est assurée par le SCC.
Une procédure systématique de génération des RRA à partir d’un modèle Bond Graph non linéaire a pu être testée avec succès sur le système de refroidissement de la pile.
Le développement du système de diagnostic repose sur le principe de hiérarchisation et sur la décomposition en sous-systèmes. A l’image du système de commande, chaque sous-système (circuit hydrogène, circuit air, …) est doté de son système de diagnostic propre et communique avec son sur-système pour l’informer de l’apparition d’une défaillance. Le mode dégradé correspondant est alors activé et propagé à tous les autres sous-systèmes. La réhabilitation est aussi assurée suivant le même principe.
Les applications industrielles
Module de puissance à PAC
Conçue en partenariat par PSA et le CEA, la pile GENEPAC présente des performances et une compacité au meilleur niveau mondial.
L’objectif poursuivi par les deux partenaires est de concevoir, réaliser et tester sur table un système d’une puissance de 80 kW compatible avec les contraintes techniques spécifiques d’une automobile.
Dans ce cadre, Sherpa Engineering a été chargé de la synthèse du SCC et du système de pilotage/acquisition sur table d’essai.
Le SCC détermine les conditions pour réaliser la puissance demandée avec un rendement optimum et un temps de réponse minimum. Il doit pour cela piloter les différents sous-systèmes : alimentation en carburant et en comburant, système d’hydratation et système de refroidissement.
Véhicule hybride
