Brevet FR2169083A1 — publié le 19730907

La présente invention se rapporte à un dispositif, mb par l1électricité, c'est à dire un dispositif utilisant un moteur électrique comme source de force motrice ou comme moteur primaire, et concerne plus particulièrement un dispositif mb par l'électri- cité, tel qu'une automobile ou un bateau, qui peut transporter la source fournissant l'énergie électrique à son moteur0 Jusqu'à présent, on utilisait principalement des piles sèches ou des batteries d'accumulateurs comme sources électriques portatives pour de tels dispositifs électriques, sauf dans ce qu'il est convenu d'appeler les dispositifs "hybrides" qui comportent une génératrice entratnée par un moteur à combustion interne ou analogue.Les piles sèches, bien qu'ayant certains avantages, notamment ceux d'strie relativement légères et d'avoir de petites dimensions, ne peuvent titre utilisées que pour les modèles réduits et les jouets en raison de leur faible capacité et de leur courte dure. Les nouvelles batteries portatives, telles que les piles à combustible et les piles solaires, qui ont été développées récemment, posent encore des problèmes de coût et de fiabilité. En conséquence, les dispositifs mus à l'électricité qui équipent une automobile électrique normale dépendent, en général, de sources d'énergie qui sont, le plus souvent, constituées par des batteries d'accumulateurs alcalines et au plomb. Bien que les batteries d'accumulateurs soient considérées, à l'heure actuelle, comme constituant les meilleures sources électriques d'énergie portatives, en raison de leur grande capacité jointe à un coût raisonnable et qu'elles peuvent par conséquent fournir de l'éner- gie électrique bon marché, elles présentent néanmoins de nombreux défauts, notamment celui d'être lourdes, d'avoir une durée de vie (temps de décharge) relativement courte et, par conséquent, de nécessiter de fréquentes recharges avec des périodes de charge relativement longues comparativement au temps de décharge. I1 est de fait que les problèmes que posent les sources d'énergie électrique portatives actuelles sont un obstacle au développement de véhicules automobiles non-polluents dont il est beaucoup question à l'heure actuelle. En conséquence, l'un des buts de l'invention est de fournir un dispositif mû par l'électricité comportant une source d'énergie électrique portable qui est légère, tout en n'ayant aucun des inconvénients ci-dessus0 Conformément à l'invention, un dispositif mb par ltélectri- cité comprend un moteur à courant continu et un condensateur qui est connecté à ce moteur et qui a une tension relativement basse, mais une très grande capacité. L'équation suivante. est universellement connue dans l'électro techniqu : W 1 2 où C est la capacité électrostatique, en farads, du condensateur, V est la tension de charge en volts, et W est l'énergie accumule en joules. Cette équation montre que la capacité électrostatique C et/ou la tension de charge V peuvent être augmentées pour augmenter l'énergie accumulée W. Toutefois, auparavant, il était raisonnable de chercher a augmenter la tension de charge V par une augmentation de la capacité électrostatique C, ce qui nécessitait une augmentation de la géométrie du condensateur et, de plus, ce dernier était généralement utilisé pour engendrer une tension instantanée élevée ou un grand courant instantané.En conséquence, la plupart des condensateurs antérieurs étaient conçus pour une capacité électrostatique relativement faible (par exemple de l'ordre du microfarad) et pour une tension d'isolement relativement élevée (par exemple de l'ordre du kilovolt), En d'autres termes, les condensateurs antérieurs ont été considérés comme des moyens d'accumulation d'énergie électrique qui pouvaient etre déchargés instantanément (en quelques microsecondes en général et, tout au plus, en quelques secondes) et non pas comme un moyen pouvant titre déchargé pendant une période de temps relativement longue (par exemple plusieurs heures) comme c'est le cas d'une batterie d'accumulateurs. La présente invention a été réalisée en inversant complètement le concept antérieur ci-dessus se rapportant au condensateur. Plus précisément, le condensateur a été conçu pour présenter une capacité électrostatique extr & ement grande (par exemple de plusieurs dizaines de farads), -jointe à une tension de charge relativement basse. Un tel condensateur ne peut pas servir aux applications précédentes et appartient à un domaine technique entièrement différent. I1 est bien évident que la diminution de la tension de charge et, par conséquent, de la-tension d'isolement, n'est nullement incompatible avec une augmentation de la capacité électrostatique, mais qu'elle a un rapport très avantageux avec celle-ci, du point de vue de la réalisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé qui est un schéma de principe d'un mode de réalisation de l'invention illustrant, notamment, le cas où celle-ci est appliquée à une automobile électrique0 Sur le dessin, le rectangle en tirets 1 représente un dispositif de charge connu, tandis que le rectangle en tirets 2 symbolise un dispositif mû par l'électricité conformément à l'invention.Le dispositif de charge 1 peut soit titre transporté en meme temps que le dispositif 2 par le même véhicule ou bien peut titre une station de recharge fixez Le dispositif de charge 1 comporte deux bornes d'entrée il et 12 qui sont reliées à une ligne électrique alternative. Les bornes Il et 12 sont reliées à travers un interrupteur 13 à l'enroulement primaire d'un transformateur 14 dont le secondaire est connecté, à travers un redresseur pleine-onde 15, à deux bornes de sortie à courant continu 16 et 17. Le dispositif mû par l'électricité 2 comprend deux bornes d'entrée de courant continu 18 et 19 qui sont connectées aux bornes de sortie 16 et 17 du dispositif de charge 1, suivant le besoin.Entre les bornes 18 et 19, est branché un très grand condensateur 20 qui fait l'objet de l'invention. Aux deux extrémités de ce condensateur 20 est connecté un moteur à courant continu 21 comportant un induit 22 et une bobine d'excitation ou de champ 23 avec interposition d'un dispositif de réglage de courant 24, tel qu'un chopper à semi-conducteursO Le dispositif 24 est commandé par une liaison 26, à partir d'un levier de réglage de vitesse 25, tel qu'une pédale d'accélérateur. Le dispositif 24 a non seulement pour fonction de régler la vitesse, mais aussi d'améliorer les caractéristiques de décharge du condensateur 20 En d'autres termes, étant donné que le condensateur présente une très grande différence de tensions entre le moment où il est complètement chargé et celui où il est complètement déchargé, à la différence de la batterie d'accumulateurs, sa période de service peut etre prolongée en contrôlant ou en réglant sa décharge au moyen du dispositif de réglage de courant. Bien que le temps de charge du condensateur 20 soit déterminé par la puissance du transformateur 14 et du redresseur 15 ainsi que par la tension de charge, cette tension de charge est, de préférence, choisie pour titre environ le double de la tension nominale du moteur 21. Le Demandeur a fait une expérience avec un tricycle à roue avant motrice pesant 63 kg et ayant les équipements suivants Condensateur 20 - Type : condensateur électrolytique du type à feuille d'aluminium Capacité totale : 7,65 F (0,27 F x 10 + 0,33 F x 15) Poids total : 30 kg Volume : environ 0,025 m3 Moteur 21 - 12 Volt, 40 watt ; moteur série à courant continu. Dispositif de réglage de tension 24 - Chopper à transistors de puissance au silicium. Dispositif de charge 1- courant continu 35 V, 100 Ao Le véhicule complètement équipé, avec le conducteur, pesait 123 kg. L'opération de charge a été exécutée en appliquant la tension de sortie de 35 V du chargeur directement au condensateur et a été arrêtée quand la tension aux bornes de ce dernier a atteint 25 V. Cette opération a demandé environ 5 secondes et l'énergie de charge a été calculée comme étant d'environ 2391 joules.Le réglage du courant a été réalisé à travers le chopper lorsque la tension entre les bornes était supérieure à 8 V, mais le moteur a été entratné en connectant le condensateur directement à celui ct quand la tension entre les bornes est descendue au-dessous de 8 volts, Dans cette expérience, le véhicule a marché pendant moyenne environ 40 secondes à une vitesse/de 8 km/h. et la vitesse maxi- mile a été de 18 km/hO De plus, il a présenté un bon effet de freinage par réaction et l'énergie engendrée par cet effet a été chargée avec une grande efficacité, dans le condensateur. Bien que le véhicule d'essai ci-dessus n'ait aucune utilité à l'heure actuelle, il pourrait devenir utile Si l'on augmentait la capacité du condensateur 20. C'est ainsi, par exemple, que dans le cas d'une automobile équipée d'un moteur à courant continu de 5 kw, il lui faudrait, pour marcher en continu pendant trois heures, 15 kW/H, ce qui correspond à une énergie de 54.000 kJ.En supposant maintenant une tension de charge de 1000 V, l'équation (1) donne pour la capacité du condensateur 108 farads0 En supposqnt un rendement global de 50 %, la capacité que le condensateur doit avoir est de 216 farads, Bien qu'une telle capacité électrostatique n'ait jamais été atteinte auparavant par des condensateurs classiques, rien ne s'oppose à la mise ai pratique d'un tel condensateur dont le volume et le poids peuvent rester entre des limites raisonnables grtce aux techniques actuelles de fabrication des composants électroniques0 Le condensateur peut emmagasiner et décharger une grande quantité d'électricité en un temps relativement court puisque ces opérations ne s'accompagnent d'aucune réaction chimique comme dans le cas d'une batterie d'accumulateurs.C'est ainsi, par exemple, que l'opération de charge des 15 kW/h ci-dessus peut titre complétée en une heure avec une intensité de 30 A et en six minutes avec une intensité de 300 ampères lorsqu'un kilowatt est appliqué aux bornes0 Ce temps est extremement court, comparativement au temps de plusieurs heures nécessaire dans le cas d'une batterie d'accumulateurs0 Un autre avantage de cette opération de charge rapide est une grande efficacité de freinage par réaction et en particulier dans le cas d'un véhicule automobile l'énergie engendrée pendant la descente d'une ctte peut efficacement titre accumulée en vue d'une utilisation ultérieure.La possibilité d'une décharge rapide doit se traduire par une augmentatio des possibilités d'accélération ou de la puissance de démarrage et, dans le cas d'une automobile, par une augmentation remarquable de la force pour grimper les cEtesO Il est bien évident qu'un condensateur est beaucoup plus avantageux qu'une batterie du point de vue de l'entretien et de la manutention. Les possibilités de recharge rapide du condensateur rendent possible une opération de charge supplémentaire pendant un arrêt temporaire, ce qui n'est pas praticable avec une batterie, et la capacité du condensateur pourrait Titre réduite davantage par ce procédé. C'est ainsi, par exemple, qu'un dispositif de recharge pourrait titre installé à chaque arrêt d'autobus et une liaison relativement simple pourrait dtre établie entre le dispositif de recharge et le condensateur de sorte qu'une quantité appréciable d'énergie électrique pourrait être introduite dans le condensateur à chaque arrêt, Etant donné que cette quantité d'énergie pourrait~ttre suffisante pour que l'autobus se rende à la station suivante,la capacité du condensateur pourrait entre abaissée à plusieurs dixièmes de sa valeur normale et, en conséquence, son poids et son volume pourraient titre réduits Quand le véhicule transporte un dispositif de recharge, les stations de recharge mentionnées ci-dessus pourraient etre considérablement simplifiées puisqu'il suffirait qu'elles comportent des bornes reliées à des lignes électriques à courant alternatif 0 En développant un tel système, il pourrait devenir possible de supprimer les conducteurs aériens utilisés par les trolleybus et les tramways antérieurs0 On considère qu'un dispositif mû par-l'électricité conforme à 1'invention est le plus avantageux, comme il a été décrit cidessus, lorsqu'il est utilisé dans des véhicules automobiles et des bateaux (en particulier dans les sous-marins), mais on est en droit de s'attendre à de nouveaux effets méme en l'appliquant à des équipements qui ne sont pas mobiles, à condition que ceux-ci puissent utiliser les propriétés de charge et de décharge du condensateur. En conséquence, bien qu'il ne soit question ici que de l'application de Invention à un dispositif mû par l'électricité, les principes de cette invention pourraient aussi titre appliqués à des dispositifs, tels que des radiateurs et des lampes électriques qui transforment l'énergie accumulée dans le condensateur en chaleur ou en lumière et non pas en énergie mécanique REVENDICADIONS 1 - Dispositif mû par l'électricité, monté notamment sur un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à courant continu et un condensateur connecté à ce moteur, ce condensateur étant chargé à une tension relativement basse, et avec une très grande capacité. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tension est inférieure à 1000 V, et en ce que ladite capacité est supérieure à 1 farad. 3 - Dispositif mû par l'électricité monté sur un véhicule automobile, qui comprend:un condensateur ayant une très grande capacité, ledit condensateur étant chargé à une tension relativement basse, un moteur à courant continu connecté aux deux extrémités du condensateur à travers un dispositif de réglage de courant, ledit moteur étant accouplé aux roues motrices dudit véhicule automobile, tandis que ledit dispositif de réglage de courant est accouplé à la pédale de réglage de vitesse dudit véhicule.