Brevet FR2933647A1 — publié le 20100115

SYSTEME DE STOCKAGE D'ENERGIE POUR VEHICULE AUTOMOBILE DE TYPE ELECTRIQUE OU HYBRIDE ET SYSTEME DE RECHARGE COMPORTANT UN TEL SYSTEME DE STOCKAGE Domaine de l'invention L'invention concerne un système de stockage d'énergie pour un véhicule automobile de type électrique ou hybride, permettant une recharge rapide de la batterie d'alimentation. L'invention concerne aussi un procédé pour stocker l'énergie électrique dans un tel système de stockage. Elle concerne également un système de recharge d'une batterie d'alimentation comportant un tel système de stockage. L'invention trouve des applications dans le domaine de l'automobile et, en particulier, dans le domaine de l'alimentation électrique des véhicules électriques ou des véhicules hybrides. Etat de la technique Dans le domaine de l'automobile, les véhicules automobiles classiques, ou véhicules à carburant, qui fonctionnent uniquement au moyen d'un moteur thermique, présentent des inconvénients relatifs, notamment, à leur pollution aussi bien atmosphérique que sonore ainsi qu'au coût de leur consommation en carburant. Pour résoudre ces inconvénients, des constructeurs automobiles ont fabriqués des véhicules électriques. Ces véhicules électriques comportent un moteur à fonctionnement électrique. Ces véhicules à moteur électrique ont l'avantage d'avoir un moteur relativement silencieux. Ils présentent également l'avantage de ne pas polluer l'atmosphère et de nécessiter, comme énergie, le courant électrique, sensiblement moins cher que le carburant. Cependant, les véhicules électriques ont le désavantage d'avoir une autonomie kilométrique faible, par rapport à celle d'un véhicule à carburant. En effet, en fonction du type de batterie (batterie au plomb, batterie nickel-cadmium, batterie lithium-ion, ...), leur autonomie varie entre environ 50 et 200 km, ce qui est loin des 800 à 1000 km d'autonomie d'un véhicule à carburant. La batterie d'un véhicule électrique doit donc être souvent rechargée. La recharge des batteries d'alimentation d'un véhicule électrique est effectuée au moyen d'un chargeur adapté pour être raccordé, d'une part, au véhicule et, d'autre part, au réseau électrique tel que le réseau 220 Volts. Le raccordement du chargeur au réseau 220 Volts peut être effectué soit au domicile du propriétaire du véhicule, soit sur des bornes de recharge installées sur des parkings spécialisés. Cependant, une recharge complète de batterie est relativement longue. Elle est, par exemple, de huit heures pour une recharge complète et de deux heures pour une recharge à environ 30%. Pendant le temps de recharge, le véhicule est immobilisé, cette immobilisation pouvant être embarrassante, voir invalidante, pour le conducteur du véhicule. Ce problème d'autonomie de la batterie est d'autant plus gênant que la distance à parcourir par le véhicule est grande. Pour ces raisons, l'utilisation des véhicules électriques est, actuellement, essentiellement urbaine. Pour remédier aux inconvénients des véhicules à fonctionnement uniquement électrique, des constructeurs automobiles ont développés des véhicules hybrides, c'est-à-dire des véhicules comportant plusieurs sources d'énergie distinctes. Généralement, un véhicule hybride comporte un moteur thermique associé à un moteur électrique. Le principe de fonctionnement d'un tel véhicule hybride est généralement le suivant : - lors des phases stationnaires où le véhicule est immobile, le moteur thermique et le moteur électrique sont tous deux à l'arrêt ; - au démarrage, le moteur électrique assure la mise en mouvement du véhicule jusqu'à des vitesses peu élevées, par exemple de 25 à 30 km/h ; - dès qu'une vitesse plus élevée est atteinte, le moteur thermique prend le relais. En effet, il est connu qu'un moteur thermique présente un mauvais rendement à faible puissance. Sa consommation en carburant à vitesse peu élevée, notamment au ralenti, est importante. C'est pourquoi, lorsque le véhicule est au ralenti ou qu'il roule à faible vitesse, le moteur thermique est arrêté tandis que le moteur électrique tourne. La propulsion du véhicule est alors assurée par le système d'alimentation électrique. Dès que la vitesse atteint un seuil prédéterminé, de l'ordre de 30 km/h, c'est le système d'alimentation par carburant qui assure la propulsion du véhicule. Ainsi, en zone urbaine, le véhicule fonctionne à l'électricité et, sur route, le véhicule fonctionne au carburant, cette association permettant de limiter la consommation en carburant du véhicule tout en limitant l'autonomie nécessaire en énergie électrique. Un tel véhicule est donc apte à effectuer de plus longs parcours qu'un véhicule tout électrique. Cependant, avec les véhicules hybrides actuels, même si leur besoin en énergie électrique est réduit, il est tout de même nécessaire d'immobiliser le véhicule pour recharger la batterie d'alimentation du moteur électrique. En effet, quelle que soit la batterie, et quelle que soit sa capacité de stockage d'énergie, sa puissance de recharge est limitée. Autrement dit, si les batteries actuelles sont capables d'emmagasiner une quantité d'énergie importante, elles ne peuvent être rechargées que relativement lentement du fait même de leur puissance disponible. Le véhicule doit donc être immobilisé pendant un temps relativement long, sensiblement identique au temps d'immobilisation d'un véhicule tout électrique, pour recharger la batterie. Le document EP ù B1 ù 1 377 477 décrit un système de stockage d'énergie dans lequel deux batteries sont associées pour augmenter la densité d'énergie disponible pour le moteur. Dans ce système, une batterie de recharge et une batterie d'alimentation sont reliées à un contrôleur. La batterie de recharge est choisie de façon à présenter une plus grande densité d'énergie que la batterie d'alimentation afin de pouvoir fournir de l'énergie à la batterie d'alimentation. Si un tel système permet d'espacer les périodes de recharge de la batterie, il ne permet toutefois pas de diminuer le temps de recharge et donc le temps d'immobilisation du véhicule. Au contraire, comme il y a deux batteries à recharger, le temps de recharge est encore augmenté par rapport à une batterie seule, ce qui augmente aussi le temps d'indisponibilité du véhicule. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un système de stockage d'énergie, pour véhicule électrique ou véhicule hybride, dans lequel une batterie alimente en énergie le moteur électrique du véhicule, cette batterie étant elle-même rechargée par l'intermédiaire d'une supercapacité. Cette supercapacité, bien que possédant une énergie de stockage limitée, a l'avantage de supporter des puissances de recharge très élevées. L'invention propose ainsi de recharger rapidement une supercapacité qui pourra, ultérieurement, transférer son énergie électrique au véhicule, alors même que celui-ci est en fonctionnement. De façon plus précise, l'invention concerne un système de stockage d'énergie pour véhicule automobile comportant : - un dispositif d'alimentation rechargeable apte à alimenter électriquement au moins un moteur, - un dispositif de recharge en énergie apte, d'une part, à être chargé par une source électrique externe et, d'autre part, à recharger le dispositif d'alimentation, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation est une batterie d'alimentation de moteur et le dispositif de recharge est une supercapacité, ladite supercapacité ayant une puissance de charge supérieure à la puissance de charge du dispositif d'alimentation. Le système de stockage d'énergie de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la supercapacité est reliée à la batterie d'alimentation par l'intermédiaire d'un convertisseur DC/DC. - la supercapacité comporte un moyen de connexion apte à être connecté à un chargeur électrique. - le moyen de connexion est apte à recevoir un champ magnétique alternatif et à générer un courant électrique. L'invention concerne aussi un système de recharge d'une batterie d'alimentation pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte : - une source d'alimentation électrique externe, - un chargeur externe, et - un système de stockage d'énergie tel que décrit précédemment. Ce système de recharge peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le chargeur externe est apte à recevoir un courant électrique de la source d'alimentation externe et à produite un champ magnétique alternatif. - une pluralité de chargeurs externes est installée sur le réseau routier, à des emplacements d'arrêt obligatoire des véhicules. L'invention concerne également un procédé pour stocker de l'énergie électrique destinée à alimenter au moins un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : - recharge d'une supercapacité à partir d'une source extérieure pendant un arrêt du véhicule, - recharge d'une batterie d'alimentation, par transfert de l'énergie électrique de la supercapacité vers ladite batterie, au cours d'un déplacement du véhicule. Ce procédé peut comporter la caractéristique suivante : - la recharge de la supercapacité est effectuée ponctuellement, à puissance élevée, la recharge de la batterie d'alimentation étant effectuée de façon continue, à puissance limitée. L'invention concerne en outre un véhicule automobile comportant un système de stockage tel que décrit précédemment. Brève description des dessins La figure 1 représente, schématiquement, le système de recharge d'une batterie de véhicule hybride ou électrique, conforme à l'invention. La figure 2 représente des exemples de courbes de recharge d'une batterie, dans le cas d'un dispositif d'alimentation classique et dans le cas d'un système de stockage d'énergie selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention concerne un système de stockage d'énergie et un système de recharge pour véhicule de type hybride ou électrique, ou pour tout autre type de véhicule comportant au moins un moteur électrique. Dans un véhicule à moteur électrique, ledit moteur est alimenté en énergie électrique par une batterie d'alimentation rechargeable. La batterie d'alimentation est associée à des moyens aptes à recharger ladite batterie à partir d'une source électrique externe, telle que le réseau électrique 220V. Un exemple d'un système de recharge selon l'invention est représenté sur la figure 1. Ce système de recharge 1 comporte, d'une part une source externe 2 associée à un chargeur externe 4 et, d'autre part, un système de stockage d'énergie 3. La source externe 2 peut être une station de recharge située sur le domaine public, comme une station de recharge d'un parking. Ce peut être aussi une prise électrique connectée au réseau 220 Volts, par exemple une prise au domicile du propriétaire du véhicule. Le chargeur externe 4 peut être un chargeur classique permettant de relier électriquement la source externe et les moyens de stockage 3 afin d'alimenter électriquement lesdits moyens de stockage. Dans un mode de réalisation de l'invention, qui sera décrit plus en détail par la suite, le chargeur externe 4 peut être un chargeur par induction sans contact. Le système de stockage d'énergie 3 de l'invention comporte un dispositif d'alimentation apte à alimenter électriquement le moteur. Ce dispositif d'alimentation est une batterie d'alimentation 31 rechargeable, connectée au moteur électrique du véhicule. Le système de stockage 3 comporte également une supercapacité 32 connectée, d'une part, au chargeur externe 4 et, d'autre part, à la batterie d'alimentation 31. Il comporte en outre un moyen de connexion 34, monté entre le chargeur externe 4 et la supercapacité 32, et apte à recevoir ledit chargeur externe. Dans une variante de l'invention, le moyen de connexion est intégré dans la supercapacité. Une supercapacité est un dispositif de charge électrique qui comporte une solution ionique (électrolyte) et un conducteur électronique (électrode) à l'interface desquels se crée une double couche électrochimique par l'accumulation de charges électriques. Dans une supercapacité, l'interface entre les charges joue le rôle d'un diélectrique. L'électrode contient du charbon actif de surface spécifique très élevée. La combinaison d'une surface conductrice élevée et d'une épaisseur de diélectrique très faible permet d'atteindre une puissance de charge nettement plus élevée que celle des technologies de batterie. Selon l'invention, le système de stockage d'énergie 3 comporte une supercapacité 32 associée à une batterie 31. La supercapacité présentant la particularité intrinsèque de supporter des puissances très élevées, elle peut donc se charger très rapidement. Par contre, elle a une capacité de stockage relativement faible par rapport à une batterie d'alimentation. Par ailleurs, la batterie d'alimentation ayant une vocation énergétique, elle a une puissance de charge limitée. La batterie d'alimentation 31 se recharge donc de façon peu rapide par rapport à la supercapacité 32. Par contre, elle a une capacité de stockage élevée. On comprend donc que, dans l'invention, la supercapacité 32 se recharge très rapidement. Elle transmet ensuite l'énergie qu'elle a emmagasinée à la batterie d'alimentation 31. La batterie d'alimentation peut ainsi se recharger, via la supercapacité, même si le véhicule n'est plus immobilisé. En effet, le système de l'invention permet de limiter le temps d'immobilisation du véhicule par une recharge rapide de la supercapacité qui, une fois rechargée, peut transférer l'énergie qu'elle a emmagasinée à la batterie d'alimentation. Dans la description qui précède, le dispositif de recharge du système de stockage d'énergie est décrit comme étant une unique supercapacité. Il est bien entendu que le dispositif de recharge peut comporter plusieurs supercapacités, montées en parallèle, ou de préférence en série car en parallèle, la cellule de base fluctuant entre 1 et 2.7V, on aura alors une très faible tension. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un convertisseur courant continu/courant continu 33, appelé convertisseur DC/DC, est connecté entre la supercapacité 32 et la batterie 31. Il a pour rôle d'assurer le dosage de la puissance circulant entre la supercapacité et la batterie d'alimentation. Ce convertisseur DC/DC 33 permet ainsi de maintenir la tension aux bornes de la batterie d'alimentation à une valeur sensiblement constante afin de recharger ladite batterie dans la limite de sa puissance de charge. Le système de l'invention permet donc de recharger la supercapacité à puissance élevée, ponctuellement et rapidement, ce qui entraîne une immobilisation du véhicule pendant un temps relativement court par rapport au temps d'immobilisation nécessaire pour une recharge de batterie classique. La batterie d'alimentation est ensuite, elle-même, rechargée à puissance limitée, en puisant l'énergie dans la supercapacité, pendant que le véhicule est en fonctionnement. Ce système a l'avantage de ne pas polluer la disponibilité du véhicule. Dans un mode de réalisation de l'invention, le chargeur externe 4 est un chargeur par induction sans contact. Un tel chargeur fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique ; le chargeur externe 4 et le moyen de connexion 34 sont pourvus de bobines électromagnétiques. Le chargeur externe 4, connecté à la source externe 2, reçoit du courant électrique dans sa bobine. Cette bobine produit un champ magnétique alternatif. Ce champ est reçu par la bobine du moyen de connexion 34 qui génère un courant électrique alimentant la supercapacité. Un tel chargeur par induction est donc dépourvu de contact, ce qui permet une recharge de la supercapacité à des emplacements divers. Les points de recharge peuvent, par exemple, être installés dans des lieux où les véhicules doivent nécessairement s'arrêter, comme à proximité de feux tricolores. Ils peuvent aussi être installés sur des places de stationnement ou à tout autre lieu d'arrêt momentané des véhicules. De cette façon, la supercapacité peut se recharger sans nécessiter une immobilisation particulière du véhicule : elle se recharge à des emplacements où le véhicule est immobilisé du fait même de la signalisation ou du fait même de son parcours. L'existence de points de recharge dans des lieux où les véhicules sont nécessairement à l'arrêt, comme les feux de signalisation, permettrait une recharge ponctuelle de la batterie via la supercapacité. Sur la figure 2, on a représenté des exemples de diagrammes de recharge avec une batterie seule et avec le système de stockage de l'invention. En particulier, sur la voie A, on a représenté, en fonction du temps, la puissance de recharge d'une batterie seule, par exemple dans le cas d'un véhicule classique. Comme on le voit sur cette voie A, la batterie d'alimentation est chargée à la puissance maximale P1 pendant un intervalle de temps t1. Pendant ce temps t1, le véhicule est immobilisé et, par conséquent, indisponible pour son conducteur. Pendant le temps t2, la recharge de la batterie étant terminée, le véhicule est disponible. On comprend donc que, dans le cas d'une batterie rechargeable seule, des périodes de disponibilité du véhicule et des périodes d'indisponibilité se succèdent plus ou moins rapidement en fonction de l'utilisation du véhicule (parcours urbains, route, etc.). Il n'y a aucun cumul possible d'une période de recharge avec une période de disponibilité. Même si le véhicule est indisponible pour la traction (puisqu'il est en train d'échanger de la puissance avec une infrastructure de recharge fixe) la batterie n'en reste pas moins disponible, même au cours de la recharge, pour alimenter le réseau de bord par exemple. Sur la voie B de la figure 2, on a représenté, en fonction du temps, la puissance de recharge de la batterie, dans le cas d'un véhicule équipé du système de stockage d'énergie de l'invention. Pendant le temps t3, la batterie et la supercapacité se rechargent. La supercapacité se recharge à une puissance P3 nettement supérieure à la puissance de recharge P1, montrée sur la voie A, d'une batterie seule. La batterie quant à elle se recharge à une puissance P2, nettement inférieure à la puissance P3 de recharge de la supercapacité. Pendant le temps t4, la supercapacité a cessé de se recharger. La puissance de recharge P4 de la supercapacité, pendant le temps t4, est alors négative car cette puissance P4 correspond au transfert d'énergie de la supercapacité vers la batterie. Autrement dit, l'énergie stockée dans la supercapacité pendant le temps t3 est transmise à la batterie pendant le temps t4. Le temps t5 correspond à une nouvelle période de recharge de la supercapacité. On voit, sur cette figure 2, que la puissance P2 de la batterie du système de stockage de l'invention est inférieure à la puissance de recharge P1 d'une batterie seule. Toutefois, la recharge de la batterie est continue : la batterie se recharge, à la puissance constante P2, aussi bien pendant le temps t3 que le temps t4. Pendant les temps t3 et t5, le véhicule est arrêté. La supercapacité se recharge pendant cet arrêt. Au temps t4, la supercapacité étant rechargée, le véhicule est potentiellement roulant, c'est-à-dire qu'il est disponible, tandis que la batterie continue à se recharger à la puissance P2. Le système de l'invention permet ainsi une recharge continue, à puissance continue constante, de la batterie, avec des immobilisations du véhicule de courtes durées, par rapport aux immobilisations de la voie A. Dans un exemple, on utilise une supercapacité de 1 MJ rechargeable à une puissance de 60 kW présentant un temps de recharge de 17 secondes, cette supercapacité se déchargeant en traction en vitesse moyenne de 40 km/h soit 2 kW électrique en 8 minutes. On comprend donc que, dans le système de l'invention, une (ou plusieurs) supercapacité est utilisée pour emmagasiner rapidement une quantité d'énergie importante, grâce à son aptitude aux grandes puissances. Il est alors possible de rendre � transparent � une recharge du système, en effectuant la recharge de la supercapacité en temps masqué lors d'un arrêt normal du véhicule sur un trajet routier et en effectuant la recharge de la batterie en continue, lorsque le véhicule est roulant. Un tel système permet au moins d'entretenir la charge de la batterie, en zone urbaine, facilitant la gestion de la batterie pour le conducteur. Il permet également de diminuer la durée de recharge complète de la batterie sur prise de courant, avec un véhicule totalement immobilisé. REVENDICATIONS1 - Système de stockage d'énergie pour véhicule automobile comportant : - un dispositif d'alimentation rechargeable (31) apte à alimenter électriquement au moins un moteur, - un dispositif de recharge en énergie (32) apte, d'une part, à être chargé par une source électrique externe (2) et, d'autre part, à recharger le dispositif d'alimentation (31), caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation est une batterie d'alimentation de moteur (31) et le dispositif de recharge est une supercapacité (32), ladite supercapacité ayant une puissance de charge supérieure à la puissance de charge du dispositif d'alimentation. 2 û Système de stockage d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que la supercapacité (32) est reliée à la batterie d'alimentation (31) par l'intermédiaire d'un convertisseur DC/DC (33). 3 - Système de stockage d'énergie selon la revendication 1 ou 2, 20 caractérisé en ce que la supercapacité comporte un moyen de connexion (34) apte à recevoir un chargeur électrique. 4 - Système de stockage d'énergie selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de connexion est apte à recevoir un champ 25 magnétique alternatif et à générer un courant électrique. 5 û Système de recharge d'une batterie d'alimentation pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte : - une source d'alimentation électrique externe (2), 30 - un chargeur externe (4), et - un système de stockage d'énergie (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6 û Système de recharge de batterie d'alimentation selon la 35 revendication 5, caractérisé en ce que le chargeur externe (4) est apte àrecevoir un courant électrique de la source d'alimentation externe et à produite un champ magnétique alternatif. 7 ù Système de recharge de batterie d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de chargeurs externes (4) installés sur le réseau routier, à des emplacements d'arrêt obligatoire des véhicules. 8 ù Procédé pour stocker de l'énergie électrique destinée à alimenter au moins un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : - recharge d'une supercapacité à partir d'une source extérieure pendant un arrêt du véhicule, - recharge d'une batterie d'alimentation, par transfert de l'énergie électrique de la supercapacité vers ladite batterie, au cours d'un déplacement du véhicule. 9 ù Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la recharge de la supercapacité est effectuée ponctuellement, à puissance élevée, la recharge de la batterie d'alimentation étant effectuée de façon continue, à puissance limitée. 10 ù Véhicule automobile de type hybride ou électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.