WO2004073147A2 - Convertisseur electrique pour pile a combustible - Google Patents

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WO2004073147A2
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Daniel Chatroux
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Yvan Lausenaz
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    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/0087—Converters characterised by their input or output configuration adapted for receiving as input a current source

Definitions

  • the invention relates to an electrical converter for a fuel cell.
  • Fuel cells are used as a source of electrical energy in many applications. They are proposed, among other things, as energy sources in electric motor vehicles (cars, buses, electrically propelled boats, etc.) to replace internal combustion engines. It is then possible to reduce the local pollution generated by motor vehicles.
  • a fuel cell is an electrochemical generator whose electrodes are continuously supplied with fuel and oxidant.
  • the technology chosen is mainly the PEMFC technology for fuel cells with proton exchange membranes supplied with hydrogen, on the one hand, and with oxygen from the air, on the other hand (PEMFC for "Proton Exchange Membrane Fuell Cell”).
  • the hydrogen used can be stored in a tank on board the vehicle. It is then hydrogen which is used as an energy carrier in chemical form.
  • the fuel cell converts this chemical energy into electrical energy necessary for the electric motors of the vehicle.
  • the hydrogen used can also be produced at on board the vehicle from hydrocarbons thanks to a reforming circuit.
  • This solution provides better efficiency than the internal combustion engine in the driving phases where the power requirement is low.
  • a fuel cell is a particular electric generator because each cell element provides a very low direct voltage of the order of 0.5 volts to 0.8 volts when charged.
  • a large number of cells are associated in series. For example, stacking a hundred cells in series allows an operating voltage under load of the order of 60 to 80 volts.
  • several stacks of cells in series are used. These stacks are associated in series and / or in parallel.
  • the electrical energy produced is not directly adapted to the use.
  • the fuel cell does not provide a constant voltage, on the other hand, the supplied voltage is low.
  • Electric motors use alternating voltages internally. It is the variations in direction of these voltages that allow the rotation of the magnetic field which is produced by electric currents. This rotating magnetic field drives the motor in rotation.
  • DC motors the generation of alternating voltages from a DC voltage has in the past been achieved by segmented brush and manifold systems. Today, for performance and service life aspects, mechanical switching by segmented brushes and collectors is most often replaced by a transistor inverter. Then generated for the motor windings three sinusoidal alternating currents of the same amplitude and phase shifted between them by 2 ⁇ / 3, which allow to produce a rotating magnetic field of constant amplitude. It is then possible to obtain a rotation of the motor without sudden torque.
  • the voltage inversion necessary to generate the alternating voltage from direct voltage is slowed down by the inductance of the motor windings and cables. This physical phenomenon is all the more annoying when the operating voltage of the motor is low.
  • a low voltage corresponds to a high current, therefore a high energy stored in the internal inductances of the motor and in the wiring.
  • An electrical power supplied in the form of a low voltage and a high current is also an important constraint for the dimensioning and the losses of the collectors and brushes or of the electronic converter fulfilling this function.
  • the operating voltage of the motor is high (typically greater than 100 volts and, often, of the order of 200 or 400 volts AC).
  • FIG. 1 illustrates the variation in voltage Vp present at the terminals of a fuel cell as a function of the current I supplied by the cell.
  • a first zone (I) is a zone for activating the electrodes of the battery in which the voltage Vp drops quickly when the current increases. It then appears on the electrodes a voltage drop with respect to the voltage Uo.
  • a third zone (III) appears, called the diffusion zone, in which the fuel cell is limited in current by the diffusion speed of the fuels and oxidizers inside the cell. . In the diffusion zone, the voltage decreases sharply while the current increases little.
  • a stack of one hundred cells in series has a no-load voltage of lOOxUo, or approximately 120 volts. Under load, the operating voltage can then drop to voltages of the order of 80 volts or 60 volts. A higher voltage corresponds to a better efficiency, but to a lower power supplied. Depending on the application, the yield or the power density (therefore the cost) will be preferred.
  • the electrical architecture of a vehicle must take account of the two constraints linked to the fuel cell, namely the low DC voltage of the unit cell element and the large voltage variation.
  • Usual applications often require one or more converters of electrical energy, as well as buffer storage means for this electrical energy.
  • the converter increases the voltage from the battery. Indeed, most power supplies for vehicles require an operational voltage which must be higher than the supply voltage supplied by a fuel cell. As a result, a DC / DC step-up converter is necessary to raise the voltage delivered by a fuel cell to the required voltage level.
  • the tension supplied from a fuel cell is used directly.
  • the fuel cell supplies a voltage of the order of 200-400 volts to supply, in particular, the vehicle traction, the air conditioning, as well as a 12 volt battery via a bidirectional converter.
  • the 12 volt voltage is used to power traditional loads such as lamps and electronic controls.
  • the voltage supplied at the output of a fuel cell is converted into a perfectly regulated or slightly variable voltage (voltage of a buffer battery for example).
  • Figure 2 illustrates the case of the perfectly regulated voltage.
  • a converter C is placed at the output of the fuel cell P and a bidirectional converter Cb is placed upstream of a battery B.
  • the converter C and the bidirectional converter Cb are mounted on a voltage bus T.
  • the bidirectional converter Cb a a regulatory effect since it can supply or absorb energy. This way you get a perfectly tension regulated, as long as the power limits of the converters and the storage limits are not reached
  • FIG. 3 illustrates the case of the slightly variable voltage.
  • the battery B is here directly connected to the voltage bus T.
  • the battery having a slightly variable voltage, it is this which imposes the voltage of the bus.
  • This variant is described, for example, in patent EP 1 091 437.
  • Current electric vehicles require two voltage sources, one being a high voltage (for example 400V DC) and the other a low voltage (for example 12V continuous).
  • US Patent 6,177,736 discloses an example of a converter generating these two voltages. Using an elevator chopper assembly, the voltage delivered by a fuel cell is transformed into two voltages, of 400V and 12V respectively.
  • FIG. 4 represents a lifting chopper according to the prior art.
  • the step-up chopper comprises at least one switch K, a diode D, an inductance L and an output capacitor Cd.
  • Such a chopper is said to accumulate.
  • the switch When the switch is closed, the current increases in the inductance which then stores energy in the form electromagnetic.
  • the switch opens, the voltage rises across its terminals until the diode turns on. The inductance then gives up at the output part of the energy it has stored in the form of a higher voltage.
  • the switch does not switch, the output voltage is equal to the input voltage due to the conduction of the diode. If the switch switches, the storage and transfer of energy from the inductor makes it possible to provide the energy output as a higher voltage.
  • the output voltage is always higher than the input voltage. This implies that the output voltage of the fuel cell is, at all times, lower than the voltage of the discharged battery or the regulated voltage.
  • An elevator chopper stage cannot provide short-circuit protection for the fuel cell.
  • a short circuit at the output of the lifting chopper results in a short circuit of the battery, which may not support it.
  • An auxiliary switch is required to open quickly in the event of a short circuit. It is then necessary to integrate a protection such as a circuit breaker, a relay or an auxiliary transistor.
  • the reduction in the size of a lifting chopper leads to an increase in the frequency of use due to the reduction in the size of the components. It is also necessary to improve the cooling of the circuit to extract the heat produced in a reduced volume.
  • FIG. 5 represents a second example of a DC / DC converter according to the prior art.
  • the DC / DC converter comprises an inverter W followed by a transformer Z, a diode bridge Pt, a smoothing inductor Ls and an output capacitor Cs.
  • the inverter W transforms the DC voltage from the battery into an AC voltage applied to the transformer Z.
  • the diode bridge rectifies the AC voltage to make it a DC voltage.
  • the smoothing inductance Ls smooths the DC voltage.
  • the advantage of this converter is the use of a transformer which allows, without oversizing, to achieve high elevation coefficients between the input voltage and the output voltage.
  • the transformer transfers energy directly between its primary and secondary. Unlike the inductor, it must not store a strong electromagnetic energy. As a result, high power transformers operating at high frequency are easier to produce than inductors.
  • the windings can be designed to have low eddy current losses even at high frequency (> 50 KHz).
  • the assembly using an inverter and a transformer supports short circuits and limits the current at its output. In the event of a short circuit, the battery is protected. This assembly is powered by the fuel cell, the voltage of which is highly variable. The components of the inverter, the diodes and the transformer must be oversized accordingly.
  • the invention does not have the drawbacks mentioned above.
  • the invention relates to an electrical converter for a fuel cell comprising current inverter means.
  • the converter comprises a step-down chopper mounted between the fuel cell and the current inverter means and control means for delivering a control signal applied to switching means of the step-down chopper so that, under the action of the control signal:
  • the value of the average voltage at the input of the current inverter means is lowered to a threshold value in a first zone of operation of the battery called the zone of activation of the electrodes of the cell,
  • the value of the average input voltage of the current inverter means is maintained at the voltage value at the terminals of the battery in a second operating zone called the battery resistance zone, and
  • the converter output current is limited when the current at the output of the current inverter means reaches a maximum set value.
  • the current inverter means are controlled so that the value of the peak voltage delivered by the inverter is substantially equal to the threshold value.
  • the converter comprises at least one transformer at the output of the current inverter means.
  • the transformer is a step-up transformer.
  • the current inverter means comprise a bridge of four switches.
  • the current inverter means are of the push-pull type with two switches.
  • the converter comprises first and second transformers and the current inverter means comprise first and second switches, so that the first switch is mounted in series with the primary winding of the first transformer and the second switch is mounted in series with the primary winding of the second transformer, the secondary windings of the first and second transformers being connected in parallel.
  • the first and second transformers are in planar technology.
  • the converter comprises a rectifier.
  • the rectifier comprises sets of diodes mounted in series or in a diode array.
  • the step-down chopper comprises at least one switch in IGBT technology.
  • the current inverter means comprise MOSFET transistors.
  • the converter comprises filtering means.
  • the electric converter for fuel cell according to the invention has many advantages.
  • the switching means of the step-down chopper comprise at least one switch.
  • the voltage step-down chopper switch supports the maximum voltage from the fuel cell.
  • the current inverter means can then be dimensioned for the value of the threshold voltage which is lower than the maximum voltage. If the inverter means use a full bridge with four switches, the voltage to be taken into account for dimensioning is the threshold voltage. If the inverter means are of push-pull type with two switches, the stress is twice the threshold voltage but, on the other hand, the average current stress can be halved.
  • the step-down chopper switch is in the on state during the largest operating range of the converter. It can then be chosen in a technology which minimizes conduction losses, for example according to the IGBT type technology with low voltage drop. In this case, during the operation of the fuel cell in zone (I), the low current level during the switching phases makes it possible to keep the switching losses at a very low level.
  • MOSFETs for “Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”
  • MOSFETs for “Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”
  • MOSFETs are well suited for making converters operating at high frequency.
  • parasitic resistance in the passing state increases very quickly with the voltage. In practice, this parasitic resistance leads to the use of several transistors in parallel to switch high currents.
  • the fitting inductance of the assembly advantageously has very little energy to store and to exchange.
  • the step-down chopper switch switches, the current is low and, consequently, the energy managed by the inductor is low.
  • the current inverter means raise the voltage by the simultaneous conduction phase of the switches, the rise coefficient (ratio between the threshold voltage Vs and the voltage Vp across the battery) is very low and the energy managed by the inductor is consequently also very low.
  • the output diodes conduct with a conduction time close to 50% which limits their peak current, the level of reverse recovery current during their blocking and the associated losses.
  • the operation of the transformer under defined voltage with very little variation in the durations of the phases of the inverter means, makes it possible to size the transformer with an excursion in magnetic induction close to the maximum excursion of the magnetic materials and this without risk of saturation in phases converter operating transients.
  • the presence of the transformer makes it possible to provide an output voltage much higher than the input voltage without any particular constraint. It is possible to use a technology transformer planar which is well suited to high operating frequencies and which can be easily cooled.
  • the converter according to the invention advantageously supports the short circuit and protects the fuel cell.
  • the constraints of the various components are such that it is necessary to use a combination of elementary components in parallel and / or in series to perform the various functions desired.
  • the switch based on MOSFETs must be able to switch very quickly, have a negligible wiring parasitic inductance (so as not to slow down the growth rate of the currents and not to dissipate the energy stored in this parasitic inductance), have a very low on-state resistance and be able to transfer these heat losses to a dissipator without overheating.
  • this function is then necessarily performed by putting several components in parallel in order to be able to achieve a parasitic inductance and sufficiently low wiring.
  • the advantages of using standard components are, among others: - lower cost than using less common components; - the advantage of many suppliers for obtaining the components;
  • the electrical converter according to the invention also comprises diode rectifier means.
  • the diodes of the rectifier means are mounted in series or in the form of an array of diodes. This allows the use of standard industrial components that can offer very high speed.
  • the speed of a diode is characterized by the reverse recovery time, that is to say the time during which the diode lets the current flow in reverse and is not yet able to block it. This phase gives rise to many losses.
  • the reverse recovery time is all the more important the higher the voltage withstand of the diode.
  • FIG. 1 represents the voltage variation across the terminals of a fuel cell depending on the current supplied by the battery
  • - Figure 2 shows a first example of a fuel cell voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 3 represents a second example of a fuel cell voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 4 represents a first example of converter used in association with a voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 1 represents the voltage variation across the terminals of a fuel cell depending on the current supplied by the battery
  • - Figure 2 shows a first example of a fuel cell voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 3 represents a second example of a fuel cell voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 4 represents a first example of converter used in association with a voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 1 represents the voltage variation across the terminals of a fuel cell depending on the current supplied by the battery
  • - Figure 2 shows a first example of a fuel cell voltage regulation circuit according to the prior art
  • FIG. 3 represents a
  • FIG. 5 represents a second example of converter used in association with a voltage regulation circuit according to the prior art
  • 6 shows an electrical converter block diagram for, fuel cells according to the invention
  • - Figure 7 shows the variation of the output voltage of the electric converter according to the invention as a function of the current supplied by the fuel cell
  • FIG. 8 represents a first example of an electrical converter for a fuel cell according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 9 represents a second example of an electrical converter for a fuel cell according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 10 represents an electrical converter for a fuel cell according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 11 represents an electrical converter for a fuel cell according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 6 represents a block diagram of an electrical converter for fuel cell according to the invention and FIG. 7 represents the output voltage Vout of an electrical converter for fuel cell according to the invention as a function of the current I output current inverter means.
  • the converter comprises a step-down chopper 1, a current inverter 2, a transformer 3, a rectifier 4, a filtering capacitor 5 and a control circuit 6.
  • the step-down chopper 1 includes, for example, a switch 7 , a self-induction 8 and a diode 9.
  • the control circuit 6 controls the switch of the step-up chopper and the switches (not shown in FIG. 6) of the current inverter 2.
  • a setpoint of threshold voltage Vs and a maximum current setpoint Imax are applied to the control circuit 6.
  • three zones of variation of the voltage Vp of the fuel cell can be distinguished, namely, an activation zone of the electrodes of the cell (I), a zone of resistance (II) and a diffusion zone (III) (cf. figure 7).
  • the switch 7 of the step-down chopper is regularly switched, from the state passing to the blocked state and vice versa, to let the current delivered chopped and thus lower the input voltage of the inverter.
  • the conduction times of the inverter switches can be fixed.
  • the switch 7 switches last until the voltage Vp reaches the threshold voltage nx Vs (n being the transformation ratio of the transformer) which then corresponds to the passage from the activation zone (I) to the zone resistance (II).
  • nx Vs n being the transformation ratio of the transformer
  • the switch 7 of the step-down chopper is kept constantly closed.
  • the average voltage at the input of the current inverter is then equal to the voltage Vp across the fuel cell.
  • the current inverter is controlled so that the peak voltage which it delivers is substantially equal to the threshold voltage Vs.
  • the conduction phases of the switches of the current inverter are then controlled for this purpose by the control circuit.
  • the output voltage of the converter Vout is thus substantially equal to the voltage Vs multiplied by the transformation ratio n of the transformer.
  • the switch 7 is kept closed as long as the voltage delivered by the fuel cell changes in the resistance zone (II).
  • the switch of the step-down chopper 7 switches to limit the output current of the converter and, thus, allow the short-circuit withstand and protect the battery.
  • the set value Imax is chosen so that the maximum current which the battery can supply before the voltage of the battery collapses is not reached.
  • FIG. 8 represents a first example of an electrical converter according to a first embodiment of the invention.
  • the converter comprises a step-down chopper 1, a current inverter 2, a transformer 3, a rectifier 4, a filtering capacitor 5 and a control circuit 6.
  • the step-down chopper 1 is made up a switch 7, an inductor 8 and a freewheeling diode 9.
  • the current inverter 2 is mounted at the output of the step-down chopper 1. It includes a bridge of four switches 10, 11, 12, 13.
  • the high frequency alternating current supplied by the current inverter 2 is applied to the primary winding 14 of the transformer 3.
  • the transformer 3 is preferably a step-up transformer intended to bring the voltage from the battery to a level suitable for the application.
  • the secondary winding of the transformer 15 is connected to the rectifier 4 which rectifies the current flowing through the secondary winding to supply it to the filtering capacitor 5.
  • the voltage taken at the terminals of the current inverter 2 is zero in the phase of simultaneous conduction of the switches which make it possible to carry out the voltage rise.
  • the control circuit 6 controls this phase of simultaneous conduction so that the voltage across the terminals of the inverter is equal to Vs when one or the other diagonal of the current inverter is conducting.
  • the switch 7 switches to limit the current.
  • FIG. 9 shows a second example of an electrical converter for a fuel cell according to the first embodiment of the invention
  • the transformer 3 has two secondary windings 17 and 18 which have identical numbers of turns and which are connected in series.
  • the rectifier 4 consists of two diodes 19 and 20.
  • the two windings in series associated with the two diodes constitute a rectifier system with transformer midpoint known per se.
  • FIG. 10 represents an electrical converter for a fuel cell according to a second embodiment of the invention.
  • the transformer 3 comprises two primary windings 23, 24 connected in series and having the same number of turns. The ends of the coils 23 and 24 are connected to the positive terminals of the respective switches 21 and 22 controlled by the control circuit 6.
  • the voltage of the midpoint of the coils 23, 24 is zero when the two switches 21 and 22 conduct. It is equal to Vs when only one of the two switches is conducting. When a switch is conducting, the voltage across the terminals of the conducting switch is zero, the voltage at the midpoint is equal to Vs and the voltage across the terminals of the other switch which is then open is equal to 2Vs, due to the transformer coupling.
  • the transformer secondary can be single, associated with a rectifier with four diodes, or made up of two windings with the same number of turns associated with two diodes.
  • FIG. 11 represents an electrical converter for a fuel cell according to a third embodiment of the invention.
  • the converter includes two transformers, the secondaries of which are connected in parallel.
  • the two primary windings of the transformer must be very well coupled together. Likewise, these two windings must have a very good coupling with the secondary winding (s).
  • the diagram in FIG. 11 presents the advantages of using only two switches and of not requiring transformers having two primary windings which have to be very well coupled together.
  • the two transformers 26 and 27 have a single primary winding and one or more secondary very well coupled to this single primary. These two transformers are much simpler in technical implementation.
  • planar transformers which use windings made up of cut copper strips or printed circuits can be used. These transformers can be very well cooled and are therefore well suited for high frequency operations. This allows a gain in compactness of the converters.
  • the use of planar technology made possible by this assembly also allows cost savings during volume productions.

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur électrique pour pile à combustible (P) comprenant des moyens onduleur de courant (2). Le convertisseur électrique comprend un hacheur abaisseur de tension (1) monté entre la pile à combustible (P) et les moyens onduleur de courant (2). Sous l'action d'un signal de commande appliqué au hacheur abaisseur de tension (1) : la valeur de la tension moyenne en entrée des moyens onduleur de courant est abaissée à une valeur de seuil (Vs) dans la zone d'activation des électrodes de la pile; la valeur de la tension moyenne en entrée des moyens onduleur de courant (2) est maintenue à la valeur de tension aux bornes de la pile (Vp) dans la zone de résistance de la pile et; le courant de sortie du convertisseur est limité lorsque le courant en sortie des moyens onduleur de courant (2) atteint une valeur maximale de consigne (Imax) .

Description

CONVERTISSEUR ELECTRIQUE POUR PILE A COMBUSTIBLE
Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un convertisseur électrique pour pile à combustible.
Les piles à combustible sont utilisées comme source d'énergie électrique dans de nombreuses applications . Elles sont proposées, entre autres, comme sources d'énergie dans les véhicules automobiles électriques (voitures, autobus, bateaux à propulsion électrique, etc.) pour remplacer les moteurs à combustion interne. Il est alors possible de diminuer la pollution locale générée par les véhicules automobiles .
Une pile à combustible est un générateur électrochimique dont les électrodes sont continûment alimentées en combustible et en comburant. Pour les applications sur véhicules automobiles, la technologie retenue est principalement la technologie PEMFC des piles à combustible à membranes échangeuses de protons alimentées en hydrogène, d'une part, et avec l'oxygène de l'air, d'autre part (PEMFC pour « Proton Exchange Membrane Fuell Cell ») .
L'hydrogène utilisé peut être stocké dans un réservoir à bord du véhicule. C'est alors l'hydrogène qui est utilisé comme vecteur d'énergie sous forme chimique. La pile à combustible convertit cette énergie chimique en énergie électrique nécessaire aux moteurs électriques du véhicule.
L'hydrogène utilisé peut aussi être produit à bord du véhicule à partir d'hydrocarbures grâce à un circuit de reformage. Cette solution permet un meilleur rendement que le moteur à combustion interne dans les phases de roulage où le besoin en puissance est faible. Une pile à combustible est un générateur électrique particulier du fait que chaque élément de pile fournit une très faible tension continue de l'ordre de 0,5 volt à 0,8 volt en charge. Selon les applications, pour atteindre une tension électrique suffisante pour pouvoir utiliser ou convertir cette énergie, un grand nombre de cellules sont associées en série. Par exemple, un empilage d'une centaine de cellules en série permet une tension de fonctionnement en charge de l'ordre de 60 à 80 volts. Selon les applications, plusieurs empilages de cellules en série sont utilisés. Ces empilages sont associés en série et/ou en parallèle.
Dans les applications pour véhicules ou pour générateurs stationnaires, l'énergie électrique produite n'est pas directement adaptée à l'utilisation. D'une part, la pile à combustible ne fournit pas une tension constante, d'autre part, la tension fournie est faible .
Les moteurs électriques utilisent en interne des tensions alternatives. Ce sont les variations de sens de ces tensions qui permettent la rotation du champ magnétique qui est produit par les courants électriques . Ce champ magnétique tournant entraîne le moteur en rotation. Pour les moteurs à courant continu, la génération de tensions alternatives à partir d'une tension continue a, dans le passé, été effectuée par des systèmes à balais et collecteurs segmentés . Aujourd'hui, pour des aspects de performance et de durée de vie, la commutation mécanique par les balais et collecteurs segmentés est le plus souvent remplacée par un onduleur à transistors. On génère alors pour les enroulements du moteur trois courants alternatifs sinusoïdaux de même amplitude et déphasés entre eux de 2π/3, qui permettent de produire un champ magnétique tournant d'amplitude constante. Il est alors possible d'obtenir une rotation du moteur sans à-coup de couple.
L'inversion de tension nécessaire pour générer la tension alternative à partir de la tension continue est ralentie par l'inductance des bobinages et des câblages du moteur. Ce phénomène physique est d'autant plus gênant que la tension de fonctionnement du moteur est faible. Une tension faible correspond à un fort courant, donc une forte énergie stockée dans les inductances internes du moteur et dans le câblage. Une puissance électrique fournie sous la forme d'une faible tension et d'un fort courant est aussi une contrainte importante pour le dimensionnement et les pertes des collecteurs et balais ou du convertisseur électronique remplissant cette fonction. En pratique, pour des moteurs de forte puissance (typiquement supérieure à 10 KW) , la tension de fonctionnement du moteur est élevée (typiquement supérieure à 100 volts et, souvent, de l'ordre de 200 ou 400 volts alternatifs) . Aujourd'hui, on observe que les applications se standardisent selon les deux cas suivants : - des moteurs utilisant des tensions de l'ordre de 200 volts alternatifs générées par un onduleur à transistors IGBT (IGBT pour « Insulated Gated Bipolar Transistor ») de tension maximale 600 volts, cet onduleur étant alimenté par une tension de l'ordre de 300 volts,
- des moteurs utilisant des tensions de l'ordre de 400 volts alternatifs générées par un onduleur à transistors IGBT de tension maximale 1200 volts, cet onduleur étant alimenté par une tension de l'ordre de 600 volts.
La standardisation des applications selon les deux cas ci-dessus est due aux limitations physiques exposées précédemment qui se traduisent par de médiocres performances pour les moteurs de fortes puissances alimentés sous basses tensions (typiquement inférieures à 100 volts) et à l'existence de solutions industrielles performantes pour les moteurs et les onduleurs alimentés par les réseaux électriques. La tension aux bornes d'une pile à combustible varie très fortement en fonction du courant fourni. La figure 1 illustre la variation de tension Vp présente aux bornes d'une pile à combustible en fonction du courant I fourni par la pile . La tension à vide de l'élément (cas où 1=0) est la tension Uo, par exemple égale à 1,23 volts pour une pile PEMFC fonctionnant à pression et à température ambiante. Au-delà de la tension Uo, il est possible de distinguer trois zones de variation de la tension Vp. Une première zone (I) est une zone d'activation des électrodes de la pile dans laquelle la tension Vp chute rapidement lors de l'augmentation du courant. Il apparaît alors sur les électrodes une chute de tension par rapport à la tension Uo . Une deuxième zone (II), appelée zone de résistance, apparaît ensuite dans laquelle la pile se comporte comme un générateur de faible résistance interne. Au-delà de la deuxième zone (II) , une troisième zone (III) apparaît, appelée zone de diffusion, dans laquelle la pile à combustible est limitée en courant par la vitesse de diffusion des combustibles et comburants à l'intérieur de la pile. Dans la zone de diffusion, la tension diminue fortement alors que le courant augmente peu.
Un empilage de cent cellules en série a une tension à vide de lOOxUo, soit sensiblement 120 volts. En charge, la tension d'utilisation peut alors chuter à des tensions de l'ordre de 80 volts ou 60 volts. Une tension plus élevée correspond à un meilleur rendement, mais à une puissance fournie plus faible. Selon l'application, le rendement ou la puissance volumique (donc le coût) sera privilégié.
L'architecture électrique d'un véhicule doit tenir compte des deux contraintes liées à la pile à combustible, à savoir la faible tension continue de l'élément unitaire de pile et la forte variation de tension. Les applications usuelles nécessitent souvent un ou plusieurs convertisseurs d'énergie électrique, ainsi que des moyens de stockage tampons de cette énergie électrique.
Dans un véhicule, il est nécessaire de disposer d'énergie électrique pour démarrer les annexes de la pile à combustible avant que celle-ci ne puisse fournir de l'énergie. Ensuite, les moteurs utilisent des tensions alternatives de quelques centaines de volts, à fréquences variables que l'on doit générer à partir d'une tension continue. De plus, un stockage électrique tampon peut s'avérer nécessaire pour fournir le surcroît d'énergie en accélération sans surdimensionner la pile et pour récupérer l'énergie au freinage.
En fait, l'utilisation d'une pile à combustible impose de tenir compte d'une approche système en fonction des besoins de chaque application. Selon les échelles de temps du stockage d'énergie, les condensateurs, les super condensateurs ou différentes technologies de batteries sont bien adaptés. Entre la pile à combustible, les stockages d'énergie éventuels et les utilisations de cette énergie, des convertisseurs électriques/électriques sont nécessaires. Ils permettent d'effectuer et de contrôler les transferts d'énergie.
Le convertisseur augmente la tension issue de la pile. En effet, la plupart des alimentations électriques pour véhicules nécessitent une tension opérationnelle qui doit être plus élevée que la tension d'alimentation fournie par une pile à combustible. Il en résulte qu'un convertisseur élévateur continu/continu (DC/DC) est nécessaire pour élever la tension délivrée par une pile à combustible au niveau de tension requis .
Différentes techniques sont connues pour l'utilisation de piles à combustible dans les véhicules automobiles.
Selon une première technique, la tension fournie en sortie d'une pile à combustible est utilisée directement. Divers systèmes existent, plus ou moins similaires, qui utilisent directement un bus de tension fortement variable issu des piles à combustible. C'est le cas, par exemple, du système décrit dans le brevet US 4 407 903 ou encore du système décrit dans l'article intitulé « A 3kW isolâtes bidirectional DC/DC converter for fuel cell electric vehicle application » (Power Conversion and Intelligent Motion Conférence PCIM 2001 (Lizhi Zhu and al.)) . Dans ce dernier cas, la pile à combustible fournit une tension de l'ordre de 200-400 volts pour alimenter, notamment, la traction du véhicule, l'air conditionné, ainsi qu'une batterie de 12 volts via un convertisseur bidirectionnel. La tension de 12 volts est utilisée pour alimenter les charges traditionnelles telles que les lampes et les contrôles électroniques.
Selon une deuxième technique, la tension fournie en sortie d'une pile à combustible est convertie en une tension parfaitement régulée ou faiblement variable (tension d'une batterie tampon par exemple) .
La figure 2 illustre le cas de la tension parfaitement régulée. Un convertisseur C est placé en sortie de la pile à combustible P et un convertisseur bidirectionnel Cb est placé en amont d'une batterie B. Le convertisseur C et le convertisseur bidirectionnel Cb sont montés sur un bus de tension T. Le convertisseur bidirectionnel Cb a un effet régulateur puisqu'il peut fournir ou absorber de l'énergie. On obtient de cette façon une tension parfaitement régulée, tant que les limites en puissance des convertisseurs et les limites de stockage ne sont pas atteintes
La figure 3 illustre le cas de la tension faiblement variable. La batterie B est ici reliée directement au bus de tension T. La batterie ayant une tension faiblement variable, c'est elle qui impose la tension du bus. Cette variante est décrite, par exemple, dans le brevet EP 1 091 437. Les véhicules électriques actuels nécessitent deux sources de tension, l'une étant une haute tension (par exemple 400V continus) et l'autre une basse tension (par exemple 12V continus) . Le brevet US 6 177 736 divulgue un exemple de convertisseur générant ces deux tensions. A l'aide d'un montage hacheur élévateur, la tension délivrée par une pile à combustible est transformée en deux tensions, respectivement de 400V et 12V.
En résumé, selon l'art antérieur décrit ci- dessus, il apparaît trois utilisations principales de la tension fournie par une pile à combustible dans un véhicule électrique :
1) une utilisation directe de la tension de la pile à combustible, 2) une conversion de la tension de la pile à combustible en une tension parfaitement régulée, 3) une conversion de la tension de la pile à combustible en une tension faiblement variable.
Dans le cadre de la première utilisation (utilisation directe), on observe qu'une variation de tension de l'ordre d'un facteur deux aux bornes de la pile oblige à un surdimensionnement des moteurs, des onduleurs associés et des convertisseurs électriques utilisés. Dans une application où, par exemple, la tension délivrée par une pile à combustible varie de 200 à 400V, l'utilisation directe de cette tension implique un surdimensionnement des onduleurs de traction et des auxiliaires, comme le compresseur d'air. Ces équipements doivent supporter de fonctionner sous 400V et donc être dimensionnés en tension en conséquence. D'autre part, ils doivent fournir leur pleine puissance sous une tension de 200V. Ils sont alors soumis à de forts courants, ce qui implique des interrupteurs de commutation de plus fort calibre en courants . Dans le cadre des deux autres utilisations
(tension continue parfaitement régulée et tension continue faiblement variable) , la pile à combustible doit être associée à un convertisseur continu/continu (DC/DC) qui est également surdimensionné du fait de " la variation de tension de la pile à combustible. L'objet de la présente demande de brevet est de limiter les implications de cette contrainte sur la taille, le poids et le coût du convertisseur.
La figure 4 représente un hacheur élévateur selon l'art antérieur.
Le hacheur élévateur comprend au moins un interrupteur K, une diode D, une inductance L et un condensateur de sortie Cd.
Un tel hacheur est dit à accumulation. Lorsque l'interrupteur est fermé, le courant croit dans l'inductance qui stocke alors de l'énergie sous forme électromagnétique. Lorsque l'interrupteur s'ouvre, la tension monte à ses bornes jusqu'à la mise en conduction de la diode. L'inductance cède alors à la sortie une partie de l'énergie qu'elle a stockée sous la forme d'une plus haute tension.
Si l'interrupteur ne commute pas, la tension de sortie est égale à la tension d'entrée du fait de la conduction de la diode. Si l'interrupteur commute, le stockage et le transfert de l'énergie de l'inductance permet de fournir l'énergie en sortie sous la forme d'une plus haute tension. Plus la tension de sortie est élevée par rapport à la tension d'entrée, plus les contraintes sur le convertisseur sont importantes . En effet, l'interrupteur doit tenir la tension de sortie lorsqu'il est ouvert. D'autre part, il est traversé par un courant d'autant plus important que la puissance électrique est fournie sous une basse tension. En pratique, les contraintes techniques en tension, courant et pertes dans l'interrupteur limitent l'utilisation du montage hacheur élévateur à des coefficients d'élévation de l'ordre de deux ou trois.
Par principe, avec un hacheur élévateur, la tension de sortie est toujours supérieure à la tension d'entrée. Ceci implique que la tension de sortie de la pile à combustible est, à tout instant, inférieure à la tension de la batterie déchargée ou à la tension régulée .
Un étage hacheur élévateur ne peut pas assurer la protection en court-circuit de la pile à combustible. Un court-circuit en sortie du hacheur élévateur se traduit par une mise en court-circuit de la pile, qui peut ne pas le supporter. Un interrupteur annexe est requis pour ouvrir rapidement en cas de court-circuit. Il faut alors intégrer une protection telle qu'un disjoncteur, un relais ou un transistor auxiliaire.
La diminution de la taille d'un hacheur élévateur conduit à augmenter la fréquence d'utilisation du fait de la diminution de la taille des composants. Il est par ailleurs nécessaire d'améliorer le refroidissement du circuit pour extraire la chaleur produite dans un volume diminué.
L'augmentation en fréquence d'un hacheur élévateur est limitée par les fortes contraintes sur l'interrupteur et la diode qui sont dimensionnés à la fois pour la tension la plus élevée et le courant le plus élevé, et par les difficultés technologiques de réalisation des inductances de fort courant fonctionnant à haute fréquence.
Du fait des contraintes en tension et courant des interrupteurs et diodes, l'augmentation de fréquence se traduit rapidement par une augmentation sensible des pertes de commutation de ces composants.
L' inductance a pour fonction de stocker de l'énergie sous forme électromagnétique. Une partie de cette énergie se situe dans le bobinage de l'élément et donne lieu à des pertes par courant de Foucault dans le cuivre. Les inductances de fortes puissances et de forts courants sont de réalisations techniques délicates du fait de ces pertes par courant de Foucault. Ces difficultés s'accroissent rapidement avec la montée en fréquence du montage. La figure 5 représente un deuxième exemple de convertisseur continu/continu selon l'art antérieur.
Le convertisseur continu/continu comprend un onduleur W suivi d'un transformateur Z, d'un pont de diodes Pt, d'une inductance de lissage Ls et d'un condensateur de sortie Cs . L'onduleur W transforme la tension continue issue de la pile en une tension alternative appliquée au transformateur Z. En sortie du transformateur, le pont de diodes redresse la tension alternative pour en faire une tension continue. L'inductance de lissage Ls lisse la tension continue.
L'avantage de ce convertisseur est l'utilisation d'un transformateur qui permet, sans surdimensionnement, de réaliser de forts coefficients d'élévation entre la tension d'entrée et la tension de sortie.
Le transformateur transfère l'énergie directement entre son primaire et son secondaire. Contrairement à l'inductance, il ne doit pas stocker une forte énergie électromagnétique. De ce fait, les transformateurs de fortes puissances fonctionnant à haute fréquence sont plus faciles à réaliser que les inductances. Les bobinages peuvent être conçus pour avoir des pertes par courants de Foucault faibles même à haute fréquence (> 50 KHz) .
D'autre part, le montage utilisant un onduleur et un transformateur supporte les courts-circuits et limite le courant à sa sortie. En cas de court-circuit, la pile est protégée. Ce montage est alimenté par la pile à combustible dont la tension est fortement variable. Les composants de l'onduleur, les diodes et le transformateur doivent être surdimensionnés en conséquence .
Ce surdimensionnement est une contrainte forte pour le convertisseur, laquelle se traduit par une augmentation de ses poids et volume et donc de ses coûts, et une augmentation de ses pertes et donc une chute de son rendement.
L' invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Exposé de l'invention
En effet, l'invention concerne un convertisseur électrique pour pile à combustible comprenant des moyens onduleur de courant. Le convertisseur comprend un hacheur abaisseur de tension monté entre la pile à combustible et les moyens onduleur de courant et des moyens de commande pour délivrer un signal de commande appliqué à des moyens de commutation du hacheur abaisseur de tension de sorte que, sous l'action du signal de commande :
- la valeur de la tension moyenne en entrée des moyens onduleur de courant soit abaissée à une valeur de seuil dans une première zone de fonctionnement de la pile dite zone d'activation des électrodes de la pile,
- la valeur de la tension moyenne en entrée des moyens onduleur de courant soit maintenue à la valeur de tension aux bornes de la pile dans une deuxième zone de fonctionnement dite zone de résistance de la pile, et
- le courant de sortie du convertisseur soit limité lorsque le courant en sortie des moyens onduleur de courant atteint une valeur maximale de consigne.
Selon une caractéristique supplémentaire, dans la zone de résistance de la pile, les moyens onduleur de courant sont commandés de façon que la valeur de la tension crête délivrée par l'onduleur soit sensiblement égale à la valeur de seuil.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, le convertisseur comprend au moins un transformateur en sortie des moyens onduleur de courant.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, le transformateur est un transformateur élévateur de tension. Selon encore une caractéristique supplémentaire, les moyens onduleur de courant comprennent un pont de quatre interrupteurs .
Selon encore une caractéristique supplémentaire, les moyens onduleur de courant sont du type push-pull à deux interrupteurs.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, le convertisseur comprend un premier et un deuxième transformateurs et les moyens onduleur de courant comprennent un premier et un deuxième interrupteurs, de sorte que le premier interrupteur est monté en série avec le bobinage primaire du premier transformateur et le deuxième interrupteur est monté en série avec le bobinage primaire du deuxième transformateur, les bobinages secondaires des premier et deuxième transformateurs étant connectés en parallèle.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, les premier et deuxième transformateurs sont en technologie planar.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, le convertisseur comprend un redresseur. Selon encore une caractéristique supplémentaire, le redresseur comprend des ensembles de diodes montées en série ou en matrice de diodes .
Selon encore une caractéristique supplémentaire, le hacheur abaisseur comprend au moins un interrupteur en technologie IGBT.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, les moyens onduleur de courant comprennent des transistors MOSFET.
Selon encore une caractéristique supplémentaire, le convertisseur comprend des moyens de filtrage.
Le convertisseur électrique pour pile à combustible selon l'invention présente de nombreux avantages .
Les moyens de commutation du hacheur abaisseur de tension comprennent au moins un interrupteur.
Avantageusement, seul l'interrupteur du hacheur abaisseur de tension supporte la tension maximale issue de la pile à combustible. Les moyens onduleur de courant peuvent alors être dimensionnés pour la valeur de la tension de seuil qui est plus faible que la tension maximale. Si les moyens onduleur utilisent un pont complet à quatre interrupteurs, la tension à prendre en compte pour le dimensionnement est la tension de seuil. Si les moyens onduleur sont de type push-pull à deux interrupteurs, la contrainte est le double de la tension de seuil mais, par contre, la contrainte en courant moyen peut être diminué de moitié .
Par ailleurs, l'interrupteur du hacheur abaisseur est à l'état passant durant la plus grande plage de fonctionnement du convertisseur. Il peut alors être choisi dans une technologie qui minimise les pertes en conduction, par exemple selon la technologie de type IGBT à faible chute de tension. Dans ce cas, lors du fonctionnement de la pile à combustible dans la zone (I) , le faible niveau de courant lors des phases de commutation permet de maintenir les pertes de commutation à un niveau très faible.
Le fonctionnement des moyens onduleur de courant sous une contrainte de tension constante (la tension de seuil) permettent d'utiliser des transistors à effet de champ de type MOSFET (MOSFET pour « Métal- Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor ») dimensionnés de façon appropriés. L'absence d'un fort surdimensionnement des composants qui constituent le convertisseur selon l'invention (contrairement à ce qui est le cas selon l'art antérieur) est un point important pour la minimisation des pertes. Les transistors MOSFET sont bien adaptés pour réaliser des convertisseurs fonctionnant à haute fréquence. Par contre, leur résistance parasite à l'état passant croit très vite avec la tension. Dans la pratique, cette résistance parasite conduit à l'utilisation de plusieurs transistors en parallèle pour commuter de forts courants. L' inductance de lissage du montage a avantageusement très peu d'énergie à stocker et échanger. En effet, lorsque l'interrupteur du hacheur abaisseur commute, le courant est faible et, partant, l'énergie gérée par l'inductance est faible. De même, lorsque les moyens onduleur de courant assurent l'élévation de tension par la phase de conduction simultanée des interrupteurs, le coefficient d'élévation (rapport entre la tension de seuil Vs et la tension Vp aux bornes de la pile) est très faible et l'énergie gérée par l'inductance est en conséquence également très faible.
Du fait du très faible coefficient d'élévation en tension, les diodes de sortie conduisent avec un temps de conduction proche de 50% ce qui limite leur courant crête, le niveau du courant de recouvrement inverse lors de leur blocage et les pertes associées.
Le fonctionnement du transformateur sous tension définie, avec très peu de variation des durées des phases des moyens onduleur, permet de dimensionner le transformateur avec une excursion en induction magnétique proche de l'excursion maximale des matériaux magnétiques et ceci sans risque de saturation dans des phases transitoires de fonctionnement du convertisseur.
Les contraintes des moyens onduleur, du transformateur et de l'inductance étant moindres que dans l'art antérieur permettent la réalisation d'un convertisseur de volume moindre qui conduit à une augmentation de la fréquence de fonctionnement.
La présence du transformateur permet de fournir une tension de sortie beaucoup plus élevée que la tension d'entrée sans contrainte particulière. Il est possible d'utiliser un transformateur de technologie planar qui est bien adapté aux hautes fréquences de fonctionnement et qui peut être facilement refroidi.
Egalement, le convertisseur selon l'invention supporte avantageusement le court-circuit et protège la pile à combustible.
Pour les applications à forte puissance et à haute fréquence, les contraintes des différents composants (interrupteurs, diodes, inductances, transformateurs, condensateurs) sont telles qu'il est nécessaire d'utiliser une association de composants élémentaires en parallèle et/ou en série pour remplir les différentes fonctions désirées. Par exemple, l'interrupteur à base de transistors MOSFET doit pouvoir commuter très vite, avoir une inductance parasite de câblage négligeable (pour ne pas ralentir la vitesse de croissance des courants et pour ne pas dissiper l'énergie stockée dans cette inductance parasite), avoir une résistance à l'état passant très faible et être capable de transférer ces pertes thermiques à un dissipateur sans surchauffe. A haute fréquence, cette fonction est alors nécessairement réalisée par la mise en parallèle de plusieurs composants pour pouvoir atteindre une inductance parasite et de câblage suffisamment faible. De manière préférée, il est également possible d'utiliser un grand nombre de composants de petites tailles adaptés aux standards industriels. Les avantages qu' il y a à utiliser des composants standards sont, entre autres : - un coût inférieur à celui de l'utilisation de composants moins répandus ; - l'avantage de nombreux fournisseurs pour l'obtention des composants ;
- une grande fiabilité des composants due à leur production en très grande quantité ; - l'obtention d'inductance interne et de câblage très réduite par la facilité de mise en parallèle des composants ;
- la facilité et la rapidité de pilotage de ces composants du fait de la petite taille de ceux-ci. Le convertisseur électrique selon l'invention comprend également des moyens redresseurs à diodes. Les diodes des moyens redresseurs sont montées en série ou sous forme de matrice de diodes. Cela permet d'utiliser des composants industriels standards pouvant offrir une très grande rapidité. La vitesse d'une diode est caractérisée par le temps de recouvrement inverse, c'est-à-dire le temps pendant lequel la diode laisse passer le courant en inverse et n'est pas encore capable de bloquer celui-ci. Cette phase donne lieu à beaucoup de pertes . Le temps de recouvrement inverse est d' autant plus important que la tenue en tension de la diode est élevée. La mise en série ou en matrice de diodes ayant une faible tenue en tension à la place, par exemple, d'une diode unique ayant une tenue en tension plus élevée permet d'obtenir un temps de recouvrement inverse relativement faible qui est celui des diodes à faible tenue en tension. Ceci est un avantage pour la diminution des pertes et permet un fonctionnement à plus haute fréquence pour augmenter la compacité. Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente la variation de tension aux bornes d'une pile à combustible en fonction du courant fourni par la pile ; - la figure 2 représente un premier exemple de circuit de régulation de tension de pile à combustible selon l'art antérieur ; la figure 3 représente un deuxième exemple de circuit de régulation de tension de pile à combustible selon l'art antérieur ; la figure 4 représente un premier exemple de convertisseur utilisé en association avec un circuit de régulation de tension selon l'art antérieur ; la figure 5 représente un deuxième exemple de convertisseur utilisé en association avec un circuit de régulation de tension selon l'art antérieur ; la figure 6 représente un schéma de principe de convertisseur électrique pour, piles à combustible selon l'invention ; - la figure 7 représente la variation de la tension de sortie du convertisseur électrique selon l'invention en fonction du courant fourni par la pile à combustible; la figure 8 représente un premier exemple de convertisseur électrique pour pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 9 représente un deuxième exemple de convertisseur électrique pour pile à combustible selon le premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 10 représente un convertisseur électrique pour pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l' invention ; la figure 11 représente un convertisseur électrique pour pile à combustible selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 ' invention Les figures 1 à 5 ont été décrites précédemment, il est donc inutile d'y revenir.
La figure 6 représente un schéma de principe de convertisseur électrique pour pile à combustible selon l'invention et la figure 7 représente la tension de sortie Vout d'un convertisseur électrique pour pile à combustible selon l'invention en fonction du courant I délivré en sortie des moyens onduleur de courant.
Le convertisseur comprend un hacheur abaisseur de tension 1, un onduleur de courant 2, un transformateur 3, un redresseur 4, un condensateur de filtrage 5 et un circuit de commande 6. Le hacheur abaisseur de tension 1 comprend, par exemple, un interrupteur 7, une self-induction 8 et une diode 9. Le circuit de commande 6 pilote l'interrupteur du hacheur élévateur et les interrupteurs (non représentés sur la figure 6) de l'onduleur de courant 2. Une consigne de tension de seuil Vs et une consigne de courant maximum Imax sont appliquées au circuit de commande 6.
Comme cela a été mentionné précédemment (cf. figure 1) , trois zones de variation de la tension Vp de la pile à combustible peuvent être distinguées, à savoir, une zone d'activation des électrodes de la pile (I) , une zone de résistance (II) et une zone de diffusion (III) (cf. figure 7).
Dans la zone d'activation des électrodes de la pile (I), l'interrupteur 7 du hacheur abaisseur de tension est régulièrement commuté, de l'état passant à l'état bloqué et réciproquement, pour laisser passer de façon hachée le courant débité et, ainsi, abaisser la tension en entrée de l'onduleur. Durant cette phase, les temps de conduction des interrupteurs de l'onduleur peuvent être fixes. Les commutations de l'interrupteur 7 durent jusqu'à ce que la tension Vp atteigne la tension de seuil n x Vs (n étant le rapport de transformation du transformateur) qui correspond alors au passage de la zone d'activation (I) à la zone de résistance (II) . Comme cela apparaît clairement à l'homme du métier, il faut ici noter que la tension qui correspond au passage de la zone d'activation (I) à la zone de résistance (II) ne saurait se définir pour une valeur précise de tension mais sur une plage de valeurs de tension.
Dans la zone de résistance (II), l'interrupteur 7 du hacheur abaisseur de tension est maintenu constamment fermé. La tension moyenne à l'entrée de l'onduleur de courant est alors égale à la tension Vp aux bornes de la pile à combustible. Préférentiellement, dans la zone de résistance (II) , l'onduleur de courant est commandé de façon que la tension crête qu'il délivre soit sensiblement égale à la tension de seuil Vs . Les phases de conduction des interrupteurs de l'onduleur de courant sont alors pilotées à cette fin par le circuit de commande.
La tension de sortie du convertisseur Vout est ainsi sensiblement égale à la tension Vs multipliée par le rapport de transformation n du transformateur. L'interrupteur 7 est maintenu fermé tant que la tension délivrée par la pile à combustible évolue dans la zone de résistance (II) . Lorsque le courant en sortie de l'onduleur de courant atteint la valeur maximale de consigne Imax, l'interrupteur du hacheur abaisseur 7 commute pour limiter le courant de sortie du convertisseur et, ainsi, permettre la tenue au court-circuit et protéger la pile. Préférentiellement, la valeur de consigne Imax est choisie de façon que le courant maximal que peut fournir la pile avant que la tension de celle-ci ne s'effondre ne soit pas atteint.
La figure 8 représente un premier exemple de convertisseur électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Comme mentionné ci-dessus, le convertisseur comprend un hacheur abaisseur de tension 1, un onduleur de courant 2, un transformateur 3, un redresseur 4, un condensateur de filtrage 5 et un circuit de commande 6. Le hacheur abaisseur de tension 1 est constitué d'un interrupteur 7, d'une inductance 8 et d'une diode de roue libre 9.
L'onduleur de courant 2 est monté en sortie du hacheur abaisseur de tension 1. Il comprend un pont de quatre interrupteurs 10, 11, 12, 13. Le courant alternatif haute fréquence fourni par l'onduleur de courant 2 est appliqué au bobinage primaire 14 du transformateur 3. Le transformateur 3 est préférentiellement un transformateur élévateur destiné à porter la tension issue de la pile à un niveau adapté à l'application. Le bobinage secondaire du transformateur 15 est connecté au redresseur 4 qui redresse le courant parcourant le bobinage secondaire pour le fournir au condensateur de filtrage 5.
La tension prise aux bornes de l'onduleur de courant 2 est nulle dans la phase de conduction simultanée des interrupteurs qui permettent d'effectuer l'élévation de tension. Le circuit de commande 6 pilote cette phase de conduction simultanée de telle manière que la tension aux bornes de l'onduleur soit égale à Vs lorsque l'une ou l'autre diagonale de l'onduleur de courant conduit. Lorsque le courant en sortie du convertisseur atteint la valeur Imax, l'interrupteur 7 commute pour limiter le courant.
La figure 9 représente un deuxième exemple de convertisseur électrique pour pile à combustible selon le premier mode de réalisation de l'invention
Le transformateur 3 présente deux enroulements secondaires 17 et 18 qui ont des nombres de spires identiques et qui sont connectés en série. Le redresseur 4 est constitué de deux diodes 19 et 20. Les deux bobinages en série associés aux deux diodes constituent un système redresseur avec transformateur à point milieu connu en soi.
La figure 10 représente un convertisseur électrique pour pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 3 comprend deux bobinages primaires 23, 24 connectés en série et ayant le même nombre de spires. Les extrémités des bobinages 23 et 24 sont connectées aux bornes positives des interrupteurs respectifs 21 et 22 pilotés par le circuit de commande 6. La tension du point milieu des bobines 23, 24 est nulle lorsque les deux interrupteurs 21 et 22 conduisent. Elle est égale à Vs lorsqu'un seul des deux interrupteurs conduit. Lorsqu'un interrupteur conduit, la tension aux bornes de l'interrupteur qui conduit est nulle, la tension au point milieu est égale à Vs et la tension aux bornes de l'autre interrupteur qui est alors ouvert est égale à 2Vs, du fait du couplage du transformateur .
Le secondaire du transformateur peut être unique, associé à un redresseur à quatre diodes, ou constitué de deux bobinages de même nombre de spires associés à deux diodes.
La figure 11 représente un convertisseur électrique pour pile à combustible selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Le convertisseur comprend deux transformateurs dont les secondaires sont connectés en parallèle.
De façon générale, selon l'art connu, en basse tension, les onduleurs utilisant quatre interrupteurs sont peu utilisés car les connexions des quatre interrupteurs entre eux et avec le bobinage du transformateur doivent toutes présenter de très faibles inductances de câblage. Cette contrainte physique est de réalisation technique délicate.
L'onduleur utilisant seulement deux interrupteurs simplifie la réalisation peu inductive des connexions de câblage. Par contre les deux enroulements primaires du transformateur doivent être très bien couplés entre eux. De même, ces deux enroulements doivent avoir un très bon couplage avec le ou les bobinages secondaires.
Le schéma de la figure 11 présente les avantages d'utiliser seulement deux interrupteurs et de ne pas nécessiter de transformateurs ayant deux bobinages primaires devant être très bien couplés entre eux. Les deux transformateurs 26 et 27 ont un enroulement primaire unique et un ou plusieurs secondaires très bien couplés à ce primaire unique. Ces deux transformateurs sont de réalisation technique beaucoup plus simple. De ce fait, les transformateurs planar qui utilisent des bobinages constitués de feuillards de cuivre découpés ou des circuits imprimés sont utilisables. Ces transformateurs peuvent être très bien refroidis et sont donc bien adaptés à des fonctionnements à haute fréquence. Ceci permet un gain en compacité des convertisseurs. L'utilisation de la technologie planar rendue possible par ce montage permet d'autre part un gain en coût lors des productions en volume.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur électrique pour pile à combustible (P) comprenant des moyens onduleur de courant (2), caractérisé en ce qu'il comprend un hacheur abaisseur de tension (1) monté entre la pile à combustible (P) et les moyens onduleur de courant (2) et des moyens de commande (6) pour délivrer un signal de commande appliqué à des moyens de commutation (7) du hacheur abaisseur de tension (1) de sorte que, sous l'action du signal de commande :
- la valeur de la tension moyenne en entrée des moyens onduleur de courant soit abaissée à une valeur de seuil (Vs) dans une première zone de fonctionnement (I) de la pile dite zone d'activation des électrodes de la pile,
- la valeur de la tension moyenne en entrée des moyens onduleur de courant (2) soit maintenue à la valeur de tension aux bornes de la pile (Vp) dans une deuxième zone de fonctionnement (II) dite zone de résistance de la pile, et
- le courant de sortie du convertisseur soit limité lorsque le courant en sortie des moyens onduleur de courant (2) atteint une valeur maximale de consigne (Imax) .
2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la zone de résistance de la pile (II) , les moyens onduleur de courant (2) sont commandés de façon que la valeur de la tension crête délivrée par l'onduleur soit sensiblement égale à la valeur de seuil (Vs) .
3. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transformateur (3) en sortie des moyens onduleur de courant .
4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transformateur (3) est un transformateur élévateur de tension.
5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens onduleur de courant comprennent un pont à quatre interrupteurs (10, 11, 12, 13) .
6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens onduleur de courant sont du type push-pull à deux interrupteurs (21, 22) .
7. Convertisseur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend un premier (26) et un deuxième (27) transformateurs et en ce que les moyens onduleur de courant comprennent un premier (28) et un deuxième (29) interrupteurs, de sorte que le premier interrupteur (28) est monté en série avec le bobinage primaire (30) du premier transformateur (26) et le deuxième interrupteur (29) est monté en série avec le bobinage primaire (32) du deuxième transformateur (27) , les bobinages secondaires (31, 33) des premier et deuxième transformateurs étant connectés en parallèle.
8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier (26) et deuxième (27) transformateurs sont en technologie planar.
9. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un redresseur (4) .
10. Convertisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le redresseur comprend des ensembles de diodes (9) montées en série ou en matrice de diodes.
11. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le hacheur abaisseur (2) comprend au moins un interrupteur (7) en technologie IGBT.
12. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens onduleur de courant (2) comprennent des transistors MOSFET.
13. Convertisseur de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de filtrage (5).
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