Brevet FR2945770A1 — publié le 20101126

Chargeur pour transfert d'énergie vers batteries embarquées sur voiture électrique en mouvementpour une autonomie maximale du véhicule Depuis l'intérêt renouvelé porté à la voiture pouvant se déplacer non à l'essence mais à l'électricité, la difficulté de ce moyen de propulsion tient à la distance que peut parcourir ce type de véhicule avant épuisement de l'énergie accumulée au départ par les piles embarquées. L'allègement du poids de la carrosserie grâce à l'apparition de matériaux plus légers et très résistants, peuvent contribuer à améliorer les performances mais les recherches faites jusqu'ici démontrent que le stockage d'énergie devra s'effectuer autrement que par le per- fectionnement des batteries au lithium puisque ce métal est en quantité limitée sur la planète et donc coûteux et pour cela ne pourra jamais satisfaire aux exigences du marché. La voiture hybride semble présenter une réponse transitoire mais le moteur d'appoint ou de substitution souvent trop peu puissant pour le poids à déplacer offre une performance relative et risque de créer autant de pollution étant donné l'effort démesuré demandé au petit cylindrée. L'arrivée en Chine et en Inde de la voiture populaire doit aussi alarmer les populations du globe afin d'éviter l'asphyxie de la planète. Il faut rechercher la meilleure solution et relé-25 guer le pétrole à d'autres fins commerciales. Si la voiture électrique telle qu'elle est conçue présentement, s'impose sur le marché, il faudra prévoir à court terme des points de ravitaillement, la voiture devant s'immobiliser le temps d'une recharge. On peut facilement imaginer les embouteillages... On peut de 30 plus difficilement imaginer une transaction rapide par le simple échange de piles embarquées. Ceux dont le parcours aura été moins exigeant devront néanmoins en atteignant leur destination à confier le rechargement des batteries au compteur d'électricité de leur domicile 35 ou au secteur mis à leur disposition. Ces pratiques même si elles sont faciles à entrevoir dans un avenir prochain seront en réa-lité sources de problèmes énormes. 40 La demande en énergie sera telle que les centrales seront vite saturées et s'en suivront des contraintes économiques et sociales qui viendront aplanir les avantages de toute cette nouvelle technologie. Le moteur électrique de la voiture hybride présente une caractéristique qui démontre la 45 recherche d'une solution au problème de la recharge des batteries embarquées. Celui-ci se transforme en générateur d'électricité lorsque le véhicule est freiné volontairement par le pédalier. Le freinage sporadique lié aux caprices et obstacles du parcours d'un véhicule se dirigeant vers sa destination, ne dure que 1 50 quelques secondes à la fois mais est exploité pour réalimenter les batteries. Malheureusement, cette récupération d'énergie est relativement faible et pour que ce systè-5 me de rechargement devienne rentable, le temps passé à freiner s'avère trop peu important comparé au trajet à parcourir. Ce système a récemment été développé à son paroxysme pour répondre aux demandes très ponctuelles en énergie des voitures de formule 1. Deux approches de stockage énergé-10 tiques ont été mises au point ; l'une est mécanique et l'autre, électrique. Les deux systèmes utilisent un volant d'inertie qui s'active lorsque la voiture lancée à vive allure freine à des vitesses de près de 300 km/h. Le freinage entraîne le volant d'inertie qui stocke une énergie cinétique. 15 Chez le premier système l'énergie cinétique, est restituée mécaniquement par un ensemble d'engrenages qui entraîne l'essieu de la voiture alors que le second système restitue électriquement l'énergie cinétique stockée par le volant d'inertie à partir d'un alternateur haute technologie qui a déjà transformé l'énergie cinétique en potentiel électrique (comme se fait 20 le chargement d'un pistolet tazer, énergie élevée qui sera relâchée en moins d'une seconde). La riposte énergétique ne dure que 5 à 6 secondes, mais assure une reprise accélératrice équivalente à la puissance additionnelle d'un moteur de 80 c/v ou de 55 kW. Comme la vitesse des voitures est élevée et les freinages de dernière seconde fréquents, il y a économie d'essence mais aussi disponibilité immédiate de puissance et ce malgré un moteur de puissance limitée, contrainte s'étant ajouter tout récemment aux nouvelles réglementations de l'organisation. La voiture de formule 1 offre cependant des particularités qui ne se retrouvent pas dans la voiture passager d'où la difficulté de transférer cette technologie. Résolution de la problématique soulevée : Si le freinage brutal devient une contre-énergie exploitable, pourquoi ne pas alors exploiter également l'énergie de la masse d'une voiture normale en mouvement. Le momentum 40 d'une voiture lancé à 100 k/h représente une énergie constante qui a aussi son importance. La seule difficulté est de savoir comment l'utiliser ce mouvement sans le transformer en contre-énergie. Ce que propose notre projet est d'utiliser l'énergie d'un véhicule en mouvement et de 45 transférer celle-ci vers un générateur d'électricité en passant par un ensemble d' embrayages et de volants d'inertie capables de minimiser l'effet contre-énergie. Le principe ne s'inspire pas des systèmes de récupération par freinage. Ceux-ci s'avè 2 25 30 35 50 rent trop peu performants pour apporter au véhicule normal une autonomie et une performance suffisante dans la durée. Ils ne représentent qu'une réponse à un besoin de puissance ponctuel et immédiat. Notre solution est d'utiliser la puissance d'une roue motrice de la voiture ou d'une roue entraînée par le momentum de celle-ci sur laquelle par une courroie l'énergie-source viendrait se transférer à une seconde roue, à diamètre réduit, ayant pour fonction de surmultiplier la vitesse d'entraînement de la première roue. La roue à surmultiplication, partie intégrante d'un manchon ou bague monté sur roulement à billes, tournerait avec le premier disque d'un premier ensemble d'embrayage électromagnétique (magnetic clutch) sur un essieu principal (élément de base du système que nous proposons) également monté sur roulement à billes. 15 Le second disque de l'embrayage serait fixé sur une seconde bague et glisserait sur commande électronique sur l'essieu principal pour venir graduellement s'unir au premier disque fixé sur la première bague. La seconde bague incluant aussi un premier volant d'inertie les disques unis feraenit alors tourner graduellement le volant à la vitesse de la 20 roue surmultipliée portant l'énergie-source. L'électronique gérant l'ensemble déciderait alors selon la vitesse atteinte par le volant d'inertie de détacher (débrayer) les deux disques du premier ensemble laissant le volant d'inertie libre de tourner sur l'essieu principal à la vitesse acquise. 25 Programmé pour transférer l'énergie cinétique de la roue motrice vers le générateur d' électricité, le système engagerait alors le rapprochement progressif d'un second ensemble d'embrayage pour transmettre l'énergie du premier volant au second volant d'inertie ce qui contribuerait à entraîner automatiquement le noyau du générateur fixé solidement à la fois 30 au second volant d'inertie et à l'essieu principal. Le générateur ayant pris la dynamique des deux volants tournant à haute vitesse, se met-trait alors à recharger les batteries embarquées pendant que la voiture continuerait sa route. Après quelques minutes, le système géré électroniquement par des détecteurs de vitesse des différents éléments, en détectant une baisse marquée de la vitesse de roulement des volants détacherait ceux-ci laissant le second volant seul à entraîner le générateur. 40 Le premier ensemble d'embrayage s' enclencherait alors à nouveau entraînant avec lui le premier volant tournant librement sur l'axe axe pour venir à nouveau récupérer l'énergie-source de la roue surmultipliée. Le cycle de transfert d'énergie vers le générateur se reproduirait de la sorte sans interrup- 45 tion du système pendant toute la durée du parcours et jusqu'à la destination du véhicule sans qu'il y ait nécessité de recourir à un ravitaillement extérieur. Notre système souhaite apporter l'autonomie de fonctionnement à la voiture électrique tout en lui conservant une performance maximale et une constance énergétique. 3 10 35 50 Selon des modes particuliers de réalisation : La présente invention est un système qui pour répondre au protocole de la démarche des- criptive est construit autour d'un axe ou un essieu principal (5) de plus ou moins 80 cm de long (entre 2 et 4 cm de diamètre) sur lequel sont glissés des manchons ou bagues (1, 2 et 3 ù Fig. 2) à support d'éléments, certains montés sur roulement à billes (1 et 2 ù Fig. 2) d'autres fixés solidement (2 ù Fig. 2) à l'axe principal (5) s'appuyant également sur des roulements à billes (15). La bague 1 (Figure 2) comprend comme éléments la roue d'entraînement à diamètre réduit (5) et le premier disque du premier ensemble d'embrayage électromagnétique (7). L'ensemble peut tourner librement sur l'essieu principal (5). La bague 2 (18 ù Figure 2) est composée du second disque du premier ensemble d'embrayage électromagnétique (7), du premier volant d'inertie du système (8) et du premier disque du second ensemble d'embrayage (9). Cette bague et ses éléments de composition (19 ù Figure 2) peuvent tourner librement sur l'axe principal (5) mais également coulisser vers la gauche ou vers la droite pour se rapprocher tantôt de la bague 1 (18 ù Fig. 2) et tantôt de la bague 3 (20 ù Fig. 2). La bague 3 (20 ù Figure 2) contrairement au deux autres bagues est fixée à l'essieu principal du système (5). Elle comprend le second disque du second ensemble d'embrayage électromagnétique (9 ù Fig. 1) et le second volant d'inertie du système (10 ù Fig. 1). L'extrémité de l'essieu principal (5) qui accueille la bague 3 (20 ù Figure 2) renferme aussi la tige centrale du noyau (12) du générateur d'électricité (11) intégrée à l'essieu (5) et entraîné par celui-ci. 30 A l'extrémité opposée de l'essieu (5), la bague 1 (18 ù Fig. 2), libre de mouvement est entraîné par la courroie (3) rattachée à une bordure (2) faisant partie intégrante d'une roue complémentaire d'entraînement (1) ou à un raccord ou rebord (2) adapté à une roue motrice (1). 35 L'essieu (5) est appuyé sur des bases (6) sur suspension caoutchouc ou autres fixées à la carrosserie et tourne librement sur des roulements à billes (15) intégrés dans les extrémités (6) faisant partie de l'enveloppe (21) renfermant le système qui est notre invention. Une barre horizontale contenant les détecteurs de tours (16) est posée léhèrement en retrait 40 des éléments du système et chaque détecteur au laser est positionné pour reconnaître le marqueur incrusté sur la roue (4) entraînée par la courroie (3) de la bague 1 (18 ù Fig. 2), sur le premier volant d'inertie (8) et sur le second volant (10 ù Figure 2). Des indicateurs de vitesse -tours/min. (17) sont placés sous chacun des détecteurs (16) et résumés sur la façade du générateur d'électricité (11 ù Fig. 1) pour la programmation, la mise au point 45 et l'entretien. 4 50 Les figures annexées qui illustrent l'invention : La figure I illustre ce qu'est l'organisation et la composition structurelle, mécanique et 5 électronique du système de rechargement des batteries partant de la source d'énergie exploitée à la transformation de cette énergie en électricité. La figure 2 présente de face et de côté le système de rechargement de batteries qu'est notre invention. Cette illustration démontre que l'axe principal et les bagues sur lesquelles 10 sont installés les éléments d'activation du système géré électroniquement, sont libres de mouvement, étant tous montés sur support à billes (exception faite de la bague 3 qui est fixée directement sur l'axe). La Figure 3 illustre et explique les 4 étapes que le système franchit pour passer de la récu-15 pération d'énergie brute à la transformation de celle-ci en électricité à stocker dans les batteries dqui alimentatent le moteur de la voiture électrique. Comment notre système fonctionne : Lorsque la voiture ne se déplace plus depuis quelque temps et le moteur électrique arrêté, tout le système qui est notre invention est immobile. lorsque le moteur est remis en marche et la voiture est lancée par le conducteur vers sa 25 nouvelle destination, les piles embarquées alimentent le moteur en énergie électrique mais cette énergie disponible doit se renouveler. Dans notre système seul la bague 1 (18 ù Fig. 2) tourne par l'intermédiaire de la courroie (3) à vitesse surmultipliée de la roue motrice ou d'accompagnement (1). Lorsque le détec- 30 teur de vitesse de la roue (4) sur la bague 1 (18 ù Fig. 2) identifie une vitesse (électroniquement déterminé par le système préprogrammé ) entre plus ou moins 4, 000 et 8,000 tours/min., l'ensemble d'embrayage électromagnétique (7 ù Fig. 3) se magnétise progressivement, le disque 2 de l'ensemble s'unifiant doucement au disque 1 (Etape 2 ù Figure 3). Ce faisant le volant d'inertie (8) installé sur la bague 2 (19 ù Fig. 2) prend la 35 vitesse de la bague 1 (18 ù Fig. 2). Lorsque le compte-tours de la bague 2 (16 et 19 ù Fig. 2) indique une vitesse identique au compte-tours de la bague 1 (16 et 18 ù Fig. 2) alors l'ensemble d'embrayage se démagnétise et la bague 2 (19 ù Fig. 2) s'éloigne de la bague 1 (18 ù Fig. 2) en coulissant légèrement sur l'essieu principal toujours inactif mais libre de mouvement. 40 Réagissant à une commande électronique programmée, le second ensemble d'embrayage électromagnétique (9 ù Fig. 3) s'électrifie graduellement pour rapprocher le disque 1 de la bague 2 (19 ù Fig. 2) du disque 2 fixé à la bague 3 (20- Fig. 2). Lorsque le rapproche-ment des deux disques est finalisé (Etape 4 ù Fig. 3), la bague 3 (20 ù Fig. 2) fixée soli- 45 dement à l'essieu principal (5) qui intègre aussi la tige du noyau (12 ù Fig. 1) du générateur d'électricité (11) a pris le rythme de la bague 2 (19 ù Fig. 2) et son volant d'inertie (8) qui entraîne dans son emportement le volant (10) auquel il reste collé jusqu'à ce que la vitesse prise par le générateur (11) et les deux volants (8 et 10) perde sensiblement de la vitesse. 20 50 Le momentum des volants d'inertie permet au générateur de tourner à pleine vitesse pendant quelques minutes, la pleine puissance de transfert électrique diminuant progressive-ment. C'est la vitesse de la voiture en marche et donc la détection du nombre de tours minutes que fournit la roue (4) qui déterminera la fréquence de la répétition du cycle (les 4 étapes de transfert) du système. Une réduction du diamètre de la roue (4) selon que la vitesse de la voiture est réduite ou élevée peut aussi être intégrée au système en plus d'un accélérateur ou booster électronique ponctuel par circuits interposés sur le transformateur pour augmenter la production électrique de ce dernier lorsque la voiture circule en ville par exemple. Lorsque la vitesse affichée par le compte-tours de la bague 1 (17 et 18 ù Fig. 2) indique l'énergie-source disponible (4 ù Fig. 1 et 17 ù Fig. 2) dépasse sensiblement la vitesse affichée au compte-tours du générateur (11 ù Fig. 2), alors, le second ensemble électro- magnétique (9 ù Fig. 1) se démagnétise et les disques 1 et 2 s' écartent (retour à l'étape 3 ù Fig. 3). Le premier ensemble d'embrayage électromagnétique (7 ù Fig. 1) prend ensuite le relais pour rapprocher la bague 2 (19 ù Fig. 2) de la bague 1 (18 ù Fig. 2 et un retour à l'étape 2 ù Fig. 3) et ainsi récupérer l'énergie disponible sur la roue (4) pour la retransmettre ou transférer mécaniquement à nouveau vers le générateur d'électricité (11 ù Fig. 2). Si une décélération soudaine se produit alors que la bague 2 (19 ù Fig. 2) est collée à la bague 1 (18 ù Fig. 2) et est à récupérer l'énergie de la roue (4), le système électronique reconaissant une différence inférieure entre la vitesse de la roue (4) et celle du 1 volant 1 (8) démagnétise aussitôt les deux disques du premier ensemble d'embrayage électromagnétique (18 ù Fig. 2) pour expoiter l'énergie maximale du moment et poursuivre le cycle de transfert. Ce cycle fait de 4 étapes (voir Fig. 3), Etape 1 : la roue entraîné par la courroie (4) tourne à vitesse surmultiplié sur l'essieu principal libre; Etape 2 : le volant d'inertie (8) est entraîné par les disque activés (7) à la vitesse de roule-ment donné à la roue (4) par la courroie.; Etape 3 : le volant d'inertie (8) en entraînement libre après démagnétisation des disques (7); Etape 4 : l'embrayeur magnétique (9) transfère la dynamique du volant (8) au volant (10) fixé à l'essieu principal. Le générateur (11) est mis en marche et son activité conservée par le système géré électroniquement ), . et se renouvelle régulièrement tout au long du parcours de la voiture pour restocker en temps réel l'énergie (4) requise c'est-à-dire pour recharger les batteries embarquées (13 ù Fig. 1) pour alimenter le moteur électrique et assurer une autonomie maximale du véhicule en déplacement. 6 50 Revendications1. Un système pour recharger les batteries embarquées d'une voiture électrique et pour assurer l'autonomie maximale du véhicule en mouvement, composé d'un essieu de petite taille servant d'axe principal au système, monté sur des appuis à roulement à billes et sur lequel sont enfilées de larges bagues (sleeves) se déplaçant également sur roulement à billes chacune étant secondée par un disque d'embrayage électromagnétique installé sur celle-ci, le disque complémentaire se situant sur la bague adjacente, cela permettant lors-qu'activés magnétiquement d'entraîner les volants d'inertie fixés aux bagues, de transférer à la vitesse surmultipliée l'énergie brute recueillie à la roue motrice ou d' accompagne-ment, et de faire transposer celle-ci en énergie électrique par le transformateur fixé directe-ment sur l'essieu principal du système. 2. Un système tel que revendiqué en 1 caractérisé en ce que l'énergie-source ou le récupérateur d'énergie à savoir la bague 1 génère une vitesse surmultipliée liée à l'écart entre le diamètre de la paroi de la roue motrice ou d'accompagnement portant la courroie et celui de la bague 1 (qui peut être variable par un mécanisme intégré) et ce sans contrainte ou friction pouvant être interprétée en perte d'énergie significative, l'essieu principal et la bague 1 s'appuyant tout deux sur un roulement à billes. 3. Un système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un ensemble d'embrayages électromagnétiques de taille réduiteest chargé de la récupération et du transfert d'une énergie brute en une énergie cinétique et enfin en énergie électrique par le biais de volants d'inertie également positionnés stratégiquement entre la source d'énergie brute et le transformateur d'électricité. 4. Un système tel que revendiqué en 1 et 2 caractérisé par un enensemble de bagues por- 30 tant les éléments fonctionnels pour le transfert et le stockage d'énergie tournant librement et/ou coulissant sur commande sur un même axe porté également sur mouvement à billes pour assurer la souplesse de fonctionnement du système et neutraliser effet de freinage ou autres contre-énergies pouvant nuire à l'élan du véhicule. 35 5. Un système selon la revendication 1 et 3 caractérisé par un volant d'inertie complémentaire ou d'appui pour assurer un passage sans heurt entre énergie brute et la transformation électrique et augmenter la durée de l'activité du transformateur entre chaque transfert ciné-tique. 40 45 7 25 50