Présentation du moyen d’essai

Objectifs du banc

Un banc d’essai a été mis en place à Supélec afin de disposer d’un moyen expérimental ayant pour principaux objectifs :

¦ de fournir un outil de caractérisation rapide et fiable des composants (actionneurs, capteurs) du système d’air,

¦ de développer une expertise dans la modélisation et l’identification de systèmes thermo-pneumatiques complexes,

¦ de fournir un outil de test et de validation de modèles dynamiques et de lois de commande sur circuit pneumatique.

La composition du banc Supélec doit répondre aux besoins des différents axes du projet : architecture représentative du système d’air réel, actionneurs répondant à un cahier des charges exigeant, instrumentation nécessaire à la commande mais aussi redondance de capteurs pour la caractérisation des composants, et enfin commande numérique des actionneurs via un système de prototypage rapide. Dans cette perspective, la structure du banc a été pensée en fonction des objectifs fixés et des moyens matériels disponibles. L’objectif final est le transfert des composants et des lois de commande sur le banc d’essai du module de puissance mis en place dans le cadre de la deuxième phase "MDP2" du projet RESPIRE².

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Pour rappel, la seconde phase "MDP2" du projet RESPIRE doit valider le fonctionnement autonome du module de puissance sur un banc d’essai comprenant les réacteurs et les différents systèmes auxiliaires.

Description matérielle du banc

Rappelons qu’en l’absence du stack, du reformeur et des autres circuits auxiliaires, seuls les composants pneumatiques sont intégrés au banc d’essai. Celui-ci est présenté sur la figure 3.2 : au premier plan, le compresseur volumétrique, précédé du filtre à air et d’un débitmètre, assure l’admission de l’air dans le circuit ; en aval du compresseur, l’air est collecté par le diffuseur (volume de tranquillisation du flux d’air), à partir duquel le circuit se divise en deux branches, avec à droite la branche anodique (reformeur et anode), et à gauche la branche cathodique (échangeur thermique, débitmètre, vanne de débit et cathode) ; les deux vannes de contrôle de la pression sont visibles en sortie de chaque branche.

Fig.3.2 – Système d’air expérimental implanté à Supélec

Il est important de noter que les volumes des réacteurs (reformeur, anode et cathode) ainsi que leurs pertes de charge (simulées par les trois vannes manuelles rouges visibles sur la figure 3.2) correspondent aux données de dimensionnement de MDP2. En effet, le réglage de l’ouverture des vannes manuelles est fixé une fois pour toute, de telle sorte que les pertes de charge engendrées soient du même ordre de grandeur que celles des réacteurs réels (cf. paragraphe 3.2).

La description des différents composants du système d’air expérimental est détaillée en An-nexe C. Mais présentons rapidement la problématique liée aux différents composants utiles à la commande, ainsi que les technologies retenues.

a) Description des actionneurs :

Le compresseur volumétrique Opcon (cf. figure 3.3) est composé de deux vis hélicoïdales à plusieurs filets, à profils conjugués (mâle/femelle) : un engrenage au rapport approprié, placé à l’extérieur de la chambre du compresseur dans un carter fixe, assure l’entraînement en rotation et la synchronisation des deux vis. Ce type de compresseur assure la compression interne de l’air avec une bonne continuité de l’écoulement qui est axial. Il est en revanche d’une réalisation complexe

3.1 Présentation du système d’air expérimental

du fait de la forme des profils des vis, et il présente un faible rapport cylindrée/encombrement et une grande inertie en rotation.

De par leur conception, les compresseurs volumétriques conviennent bien pour traiter des débits très variables et sous des rapports de pression importants. Le composant Opcon présente de bonnes performances dynamiques, même à faible débit (malgré des fuites à bas régime) : l’on-duleur assurant la commande rapprochée du moteur du compresseur intègre une boucle de régu-lation en vitesse très performante. Le compresseur peut atteindre un régime de 12500 tr.min−1

pour couvrir une plage de débit allant jusqu’à 0,1 kg.s−1. Mais son fonctionnement est limité par un taux de compression maximum de 3 bar et une température du flux sortant de 180◦C.

Fig.3.3 – Compresseur volumétrique Opcon et principe de fonctionnement "double vis" Les vannes utilisées pour les régulations de débit et de pression sont des papillons d’admission Siemens (cf. figure 3.4), spécifiés pour des moteurs Renault de série. Ce type de vanne intègre une électronique haute température, qui est utilisée pour l’asservissement en position du moteur à courant continu entraînant le volet. Un capteur sans contact est utilisé pour la saisie de la position du volet, mais cette mesure n’est pas accessible.

Fig.3.4 – Vanne d’admission Siemens et principe du "papillon"

D’un point de vue statique, ces vannes sont adaptées aux plages de débit et de pression consi-dérées (pression différentielle de 20 à 600 mbar) ; la cartographie donnant la section d’ouverture en fonction de la consigne en tension (signal PWM3) n’est pas fournie par le fabricant et doit être identifiée. D’un point de vue dynamique, ces vannes présentent un temps de réponse inférieur à 150 ms pour une consigne d’ouverture allant de 5% à 95%. Elles sont en outre spécifiées pour une plage de température de fonctionnement comprise entre -40 et +140◦C.

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b) Description des capteurs :

Au niveau de l’instrumentation (cf. analyse instrumentale en Annexe C), les capteurs de pression absolue sont tous de technologie identique (transmetteurs de pression industriels), avec une dynamique très rapide. Les mesures de températures sont réalisées par des thermocouples (±2◦C de précision) ou par des sondes "platine" (±1◦C de précision).

Le véritable point dur de l’instrumentation concerne les débitmètres. Plusieurs principes de fonctionnement sont en concurrence mais, après plusieurs consultations de fournisseurs de débitmètres industriels, il apparaît que le cahier des charges pour système "pile à combustible" est très difficile à respecter : les débitmètres actuels ne sont pas à la fois suffisamment rapides (temps de réponse inférieur à la seconde) et précis (1% de la mesure) pour notre application. Le choix s’est donc porté sur deux technologies différentes (cf. figure 3.5).

La première technologie, la plus communément utilisée dans le secteur automobile, est fondée sur le principe du "fil chaud" : un élément conducteur, dont la caractéristique de résistance électrique en fonction de la température est clairement identifiée, est soumis au flux de l’air qui le refroidit ; une alimentation électrique soumet ce conducteur à un courant électrique régulé de façon à maintenir la température du conducteur constante, et la valeur du courant nécessaire est représentative de l’effet de refroidissement dû au flux d’air donc au débit massique de celui-ci. Pour la technologie thermique massique, le choix s’est porté sur un débitmètre Bronkhorst, avec une plage de débit allant de 0,005 à 0,1 kg.s−1, avec une précision de 1% de la valeur maximum, soit 0,001 kg.s−1. Son temps de réponse à 63% de 3 s est cependant trop lent pour le cahier des charges du système d’air. Ce débitmètre est consacré à la mesure du débit d’air total, dont les fluctuations peuvent être estimées plus rapidement à l’aide de la mesure du régime compresseur. La deuxième technologie - de type turbine - est basée sur la mesure d’un débit volumique par une hélice, et nécessite des mesures de pression et de température pour la conversion en débit massique :

Q = f (Q_vol, P, T )

Le choix s’est porté sur un débitmètre Cox, avec une plage de débit allant de 15 à 150 m3/h et une précision de 1% de la mesure, qui n’a pas été vérifiée sur banc en raison du flux trop turbulent généré par le compresseur. En revanche, le temps de réponse à 63% de 0,5 s est très satisfaisant et justifie l’emploi de ce débitmètre pour la mesure du débit cathodique.