Brevet FR2934525A1 — publié le 20100205

DISPOSITIF DE STOCKAGE ET DE FOURNITURE D'ENERGIE POUR VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention se situe dans le domaine des véhicules automobiles à traction partiellement, ou totalement, électrique. De tels véhicules sont, par exemple, des véhicules hybrides de type � électrique/thermique �, ou de type � électrique/pile à combustible �. De manière plus précise, l'invention se situe dans le domaine du stockage et de la fourniture d'énergie électrique pour ces véhicules. Dans les systèmes classiques existants, la machine électrique d'un véhicule hybride est couplée à un dispositif de stockage électrique sous forme d'une batterie électrochimique, par exemple de type Oxyde de Plomb-Acide sulfurique, Nickel-Hydrure ou encore Lithium-ion. Il existe deux types de batteries à couple électrochimique : les batteries de type � puissance �, et les batteries de type � énergie �. La différence entre ces deux types de batterie réside dans la quantité de matière active qu'elles contiennent. En effet, plus une batterie contient de matière active, plus elle est à même de fournir de l'énergie mais, en contrepartie, elle est d'autant plus encombrante. Une batterie électrochimique, qu'elle soit de type � puissance � ou de type � énergie �, permet de fournir une grande énergie pendant une longue durée, mais elle présente l'inconvénient de disposer d'une résistance interne élevée, ce qui conduit à un échauffement thermique en fonctionnement difficile à maîtriser ; par conséquent, il est nécessaire de prévoir, dans les véhicules équipés de telles batteries, un système de refroidissement de grande dimension. On connaît également des procédés faisant appel, pour le stockage d'énergie électrique, à des supercapacités, ou supercondensateurs. Contrairement aux batteries électrochimiques, les supercapacités permettent de fournir une grande puissance électrique, mais elles présentent l'inconvénient de disposer d'une faible énergie massique, ce qui impose un dimensionnement important pour les applications nécessitant une certaine énergie. De manière plus précise, un supercondensateur est un condensateur présentant une faible résistance interne, par exemple de l'ordre de quelques milli ohms, et une très grande capacité, de plusieurs centaines à plusieurs milliers de Farads. La résistance interne faible autorise une charge et une décharge du condensateur avec de forts courants. On connaît, en outre, de nombreux systèmes de stockage d'énergie mixtes comprenant différents types de stockeurs, par exemple ceux décrits ci- dessus, afin de mettre à profit les caractéristiques avantageuses de chacun des types de dispositifs de stockage. Ainsi, par exemple, dans un véhicule comportant deux stockeurs de type différents, on fera appel à l'un ou l'autre de ces stockeurs en fonction de la phase de fonctionnement du véhicule, et donc des besoins en énergie à un instant donné. Les différents stockeurs mis en oeuvre diffèrent les uns des autres de par leurs différentes caractéristiques, telles que le type de technologie, les pertes énergétiques, les matériaux, ou encore le dimensionnement. Par conséquent, lors du fonctionnement du véhicule, l'élévation thermique constatée diffèrera d'un type de dispositif de stockage à un autre, car cette élévation thermique dépend des pertes internes, de la conduction thermique, et de la capacité calorifique de chacun des éléments. Il est donc nécessaire, dans les systèmes à dispositifs multiples, de dimensionner les systèmes de refroidissement, de manière à permettre le refroidissement des stockeurs présentant la plus haute élévation de température. Ainsi, le dimensionnement du dispositif de refroidissement est obligatoirement plus important que celui qui serait nécessaire au vu de l'élévation de température globale du système de stockage. La présente invention a donc pour objectif de remédier à cet inconvénient en mettant à profit, dans un système comportant plusieurs types de stockeurs électriques, l'inertie thermique du stockeur présentant les moindres pertes thermiques pour réduire l'élévation de température globale du système, et ainsi permettre une réduction du dimensionnement du système de refroidissement, ou une augmentation des sollicitations du système sans augmentation de la taille du système de refroidissement. Ainsi, l'invention concerne un système de stockage et de fourniture d'énergie à une machine électrique installée dans un véhicule automobile, comportant : - un premier dispositif de stockage d'énergie électrique, - un second dispositif de stockage d'énergie électrique, présentant une élévation de température en fonctionnement plus importante que le premier dispositif de stockage, et - un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce que le premier et second dispositif de stockage sont disposés de manière à permettre un transfert de chaleur du second dispositif de stockage vers le premier dispositif de stockage, et en ce que la capacité de refroidissement du dispositif de refroidissement est inférieure à la capacité nécessaire pour le refroidissement des deux dispositifs de stockage en l'absence de transfert de chaleur. Dans une réalisation, le système comporte, en outre, un organe de couplage électrique couplé à la machine électrique. Cet organe permet, notamment, de coupler la machine électrique au premier et/ou second dispositif de stockage d'énergie, en fonction de l'état de fonctionnement du véhicule. Dans une réalisation, le premier dispositif de stockage comporte une ou plusieurs cellules élémentaires, chacun étant formée d'un supercondensateur.35 Dans une réalisation, le second dispositif d'énergie électrique comporte une ou plusieurs cellules élémentaires, chacune étant formée d'une batterie à couple électrochimique. Dans une réalisation, chacun des deux dispositifs de stockage comporte plusieurs cellules élémentaires, et les cellules élémentaires des deux dispositifs de stockage sont positionnées en alternance les unes par rapport aux autres. Dans une réalisation, le second dispositif de stockage comporte plusieurs éléments installés autour du premier dispositif de stockage. Dans une réalisation, le second dispositif de stockage est installé entre le premier dispositif de stockage et le dispositif de refroidissement. Dans une réalisation, chacun des dispositifs de stockage comporte plusieurs ensembles de cellules élémentaires, et les ensembles des deux dispositifs de stockage sont positionnés en alternance les uns par rapport aux autres. 20 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains modes de réalisation particuliers, description effectuée à titre non limitatif à l'aide de figures sur lesquelles : - les figures 1 à 4 montrent différentes architectures d'un système de 25 stockage conforme à l'invention, - la figure 5 montre un système selon l'invention, comportant un organe de couplage électrique. Dans l'exemple montré sur la figure 1, le premier dispositif de 30 stockage comporte un ensemble de supercondensateurs tels que 10a, 10b, 10c..., et le second dispositif de stockage comporte un ensemble de batteries électrochimiques tels que 11 a, 11 b, l l c. Ces différents éléments sont placés en quinconce, c'est à dire que chaque élément du premier dispositif de stockage (respectivement deuxième) 35 est contigu à quatre éléments du second dispositif (respectivement premier).15 Une telle disposition permet une répartition aisée et rapide de la chaleur dégagée par les éléments du deuxième dispositif, en direction des éléments du premier dispositif. Ainsi, de manière avantageuse, l'élévation de température du système est limitée, et la chaleur dégagée en moyenne sur l'ensemble de la surface du système de stockage est plus faible que la chaleur dégagée par le second dispositif seul. Il est ainsi possible de tirer le meilleur parti d'un dispositif de refroidissement commun. Un tel agencement est rendu possible par le fait que, dans l'exemple montré sur la figure 1, les cellules élémentaires formant les deux dispositifs de stockage présentent toutes la même géométrie, en l'occurrence une géométrie cylindrique. En revanche, si les éléments du premier et second dispositifs de stockage présentent des géométries différentes, il est nécessaire d'utiliser une architecture telle que celle montrée en figure 2. Dans cet exemple, en effet, le second dispositif de stockage n'est pas formé de cellules élémentaires de forme cylindrique, mais uniquement d'un élément de forme prismatique, tel qu'une batterie douze volts de type Plomb et Acide Sulfurique. Dans ce cas, afin de permettre un transfert de chaleur du second dispositif de stockage vers le premier, il est nécessaire de disposer les cellules élémentaires tels que 20a, 20b, 20c du premier dispositif de stockage autour du second dispositif 21. Dans une telle configuration, il est utile de veiller à la bonne répartition des cellules élémentaires autour du second dispositif de stockage, comme montré sur la figure 2. En effet, il est nécessaire de ne pas augmenter la dispersion thermique des cellules élémentaires, qui pourrait entraîner un vieillissement prématuré de certains éléments par rapport à certains autres. La figure 3 montre une autre architecture envisageable pour la réalisation d'un système selon l'invention. Dans cet exemple, le second dispositif de stockage d'énergie 31, à savoir celui présentant la plus haute élévation en température, est disposé entre le dispositif de refroidissement 30 et le premier dispositif de stockage 32. Le dispositif de refroidissement 30 consiste en un dispositif d'envoi de fluide caloriporteur, par exemple de l'air pulsé. Ainsi, la zone la plus chaude, à savoir la zone 31, est refroidie avec le fluide directement issu du dispositif de refroidissement, alors que la zone 32, qui nécessite un refroidissement moindre, est refroidie à l'aide du fluide caloriporteur ayant préalablement été utilisé pour refroidir la zone chaude. Selon les réalisations, dans cette architecture, les deux dispositifs de stockage comportent une ou plusieurs cellules élémentaires. Une autre architecture encore est montrée en figure 4. Dans cet exemple, chacun des dispositifs comporte deux ensembles de cellules élémentaires. Ces ensembles sont respectivement référencés 40 et 41 pour le premier dispositif, et 42 et 43 pour le second dispositif. Il apparaît sur cette figure que les éléments des deux dispositifs sont disposés en alternance. Ainsi, la chaleur dégagée par les éléments 42 et 43 du second dispositif est partiellement transférée sur les éléments 40 et 41. Ainsi, sur l'ensemble du système, on utilise l'inertie thermique des éléments 40 et 41 pour permettre une limitation de l'élévation de température, et le dispositif de refroidissement 44 est utilisé de manière homogène sur l'ensemble des éléments 40 à 43, sans qu'il soit nécessaire de le dimensionner de façon trop importante. Par ailleurs, selon l'architecture du véhicule automobile destiné à recevoir un système selon l'invention, il est parfois utile de prévoir un organe de couplage électrique, permettant au véhicule de faire appel à l'un et/ou l'autre des dispositifs de stockage, selon la phase de fonctionnement du véhicule. Cet organe de couplage est, par exemple, compris dans le groupe comprenant un organe de commutation, un convertisseur courant continu/courant continu (DC/DC) ; et une association de convertisseurs courant continu/courant continu (DC/DC). Un tel organe de couplage 50 est, par exemple, placé entre un premier dispositif de stockage 51 et un deuxième dispositif de stockage 52.35 De manière générale, les deux dispositifs de stockage sont compris dans le groupe comprenant : une batterie électrochimique de type � puissance �, une batterie électrochimique de type � énergie �, et une supercapacité. Toutes les configurations sont envisageables dans le cadre de la présente invention, le second dispositif de stockage étant toutefois tel qu'il dégage une quantité de chaleur supérieure à celle dégagée par le premier dispositif en fonctionnement. La présente invention permet donc de diminuer les capacités de refroidissement nécessaires lors d'un fonctionnement du véhicule. Ainsi, cette invention peut permettre une amélioration des performances des véhicules de deux manières : - il est possible, à sollicitation moteur égale, de limiter l'élévation de température, et ainsi de réduire le dimensionnement du système de refroidissement, et - il est possible, à température égale et système de refroidissement identique, d'augmenter les sollicitations moteur. Cette invention permet donc soit de diminuer les coûts et 20 l'encombrement du système de stockage, soit d'améliorer les performances véhicule. REVENDICATIONS1. Système de stockage et de fourniture d'énergie à une machine électrique installée dans un véhicule automobile, comportant : - un premier dispositif (32, 51)) de stockage d'énergie électrique, - un second dispositif (31, 52) de stockage d'énergie électrique, présentant une élévation de température en fonctionnement plus importante que le premier dispositif de stockage, et - un dispositif de refroidissement (30), caractérisé en ce que le premier et second dispositif de stockage sont disposés de manière à permettre un transfert de chaleur du second dispositif de stockage vers le premier dispositif de stockage, et en ce que la capacité de refroidissement du dispositif de refroidissement est inférieure à la capacité nécessaire pour le refroidissement des deux dispositifs de stockage en l'absence de transfert de chaleur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un organe (50) de couplage électrique couplé à la machine électrique permettant de coupler la machine électrique au premier (51) et/ou second (52) dispositif de stockage. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier dispositif de stockage comporte un ou plusieurs cellules élémentaires (10a, 10b, 10c), chacun étant formée d'un supercondensateur. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second dispositif d'énergie électrique comporte une ou plusieurs cellules élémentaires (11 a, 11 b, 11 c), chacune étant formée d'une batterie à couple électrochimique. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des deux dispositifs de stockage comporte plusieurs cellules élémentaires, et en ce que les cellules élémentaires des deux dispositifs de stockage sont positionnées en alternance les uns par rapport aux autres. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second dispositif de stockage comporte plusieurs éléments (20a, 20b, 20c) installés autour du premier dispositif (21) de stockage. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second dispositif de stockage (31) est installé entre le premier dispositif (32) de stockage et le dispositif de refroidissement (30). 8. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des dispositifs de stockage comporte plusieurs ensembles de cellules élémentaires, et en ce que les ensembles des deux dispositifs de stockage sont positionnés en alternance les uns par rapport aux autres.