Brevet FR2965678A1 — publié le 20120406

La présente invention concerne un système de charge d'une batterie de véhicule automobile. Elle concerne aussi une partie de ce système destinée à un montage au sein d'un véhicule automobile ainsi qu'un véhicule automobile en tant que tel comprenant ce dispositif interne de charge de batterie. Certains véhicules automobiles disposent d'une chaine de traction électrique, comme les véhicules électriques ne disposant que d'une chaine de traction électrique ou les véhicules hybrides disposant à la fois d'une chaine de traction thermique et électrique. Ces véhicules peuvent être équipés d'une batterie qui est rechargée à l'aide d'un chargeur quand elle est déchargée. Une première famille de solutions de charge d'une batterie de véhicule automobile, dites « avec contact », repose sur une connexion électrique directe et continue entre la batterie et le chargeur, ce dernier délivrant ainsi un courant électrique à la batterie au travers de cette connexion qui permet la charge de la batterie. Une première approche consiste à exploiter le réseau électrique : cela permet la charge de la batterie à partir de faibles puissances, de l'ordre de 3 kW, ce qui exige une longue durée de charge de plusieurs heures. Selon une seconde approche, des chargeurs puissants sont utilisés, offrant par exemple une puissance pouvant aller jusqu'à 100 kW. Toutes les solutions de charge de batterie avec contact présentent de plus les inconvénients suivants : - la corrosion des contacts électriques au niveau de la connexion entre le chargeur, la batterie et les prises du réseau alternatif réduit leur fiabilité; - la connexion avec contact est délicate à assurer en milieu humide; - la connexion avec contact nécessite des manipulations électriques, est peu conviviale et nécessite généralement des dispositifs gérant l'hygiène du câble de recharge, par exemple un enrouleur. Une seconde famille de solutions de charge de batterie de véhicule automobile, dites « sans contact », repose sur une charge à distance par l'intermédiaire d'un système de charge, appelé aussi « chargeur », doté d'une partie primaire émettrice comprenant notamment une bobine primaire, que nous appelons plus simplement « émetteur », qui coopère avec une partie secondaire réceptrice comprenant notamment une bobine secondaire, que nous appelons plus simplement « récepteur », montée sur le véhicule automobile et reliée à la batterie à recharger. La bobine primaire transmet ainsi un champ magnétique suffisant pour induire le courant de charge nécessaire à la charge de la batterie au niveau de la bobine secondaire. Le document US5654621 décrit une telle solution. L'inconvénient des solutions « sans contact » est qu'elles nécessitent la présence d'un chargeur sans contact pour la recharge. Or de tels chargeurs ne sont pas disponibles partout. Ainsi, si le véhicule automobile nécessite une charge de sa batterie loin de tout système de charge, cette solution devient peu conviviale puisqu'il faut alors faire un grand détour pour atteindre un lieu de charge, tout en risquant une panne. Ainsi, l'invention a pour objet de proposer une solution de charge d'une batterie de véhicule automobile qui ne présente pas tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique. A cet effet, l'invention repose sur une partie de dispositif de charge d'une batterie destinée à être montée au sein d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend une bobine secondaire apte à une connexion avec la batterie de sorte de pouvoir lui transmettre un courant de charge, et une bobine de secours apte à une connexion électrique lui permettant de transférer une puissance de charge sans contact vers la bobine secondaire pour générer un courant dans cette bobine secondaire. 3 La bobine de secours et la bobine secondaire peuvent être superposées. La bobine de secours et la bobine secondaire peuvent être imbriquées l'une 5 dans l'autre dans un même plan. Cette partie de dispositif de charge d'une batterie peut comprendre un régulateur ou redresseur reliée à la bobine secondaire et un filtre. 10 L'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant une batterie pour son alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend une partie de dispositif de charge de sa batterie automobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, et un connecteur lié à la bobine de secours pour relier la bobine de secours à un kit de charge de secours. 15 L'invention porte aussi sur un système de charge pour batterie d'alimentation électrique d'un véhicule automobile comprenant : - une partie de dispositif de charge d'une batterie telle que définie ci-dessus, comprenant un récepteur comprenant la bobine 20 secondaire et une bobine de secours reliée à un connecteur, et - un kit de secours comprenant un convertisseur AC/AC, une prise secteur et une prise de sortie apte à une connexion avec le connecteur. 25 Le système de charge pour batterie d'alimentation électrique d'un véhicule automobile peut comprendre un émetteur distinct du kit de secours comprenant une bobine primaire apte à une liaison sans contact avec la bobine secondaire pour lui transmettre une puissance de charge. 30 L'invention porte aussi sur un kit de charge de secours pour la charge d'une batterie d'alimentation électrique d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur AC/AC et une prise secteur en entrée et un connecteur de sortie, destiné à une liaison avec le connecteur d'un véhicule automobile ou une bobine de secours apte à transférer une puissance de charge sans contact vers la bobine secondaire pour générer un courant dans cette bobine secondaire. Le kit de charge de secours pour la charge d'une batterie d'alimentation électrique peut se présenter sous la forme d'un tapis, intégrant toutes les fonctions pour la charge d'une batterie sans contact ou étant relié à une partie déportée. 10 Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes d'exécution particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente schématiquement en vue de côté un véhicule automobile en phase de charge sans contact de sa batterie. La figure 2 représente schématiquement en vue de côté une partie agrandie 20 du dispositif de charge de batterie d'un véhicule automobile en phase de charge sans contact de sa batterie. La figure 3 représente schématiquement le circuit électrique du système de charge sans contact d'une batterie d'un véhicule automobile. La figure 4 représente schématiquement le circuit électrique du dispositif de charge d'une batterie selon un mode d'exécution de l'invention. La figure 5 représente le positionnement relatif des bobines secondaire et de 30 secours selon une première solution du mode d'exécution de l'invention. 15 25 La figure 6 représente le positionnement relatif des bobines secondaire et de secours selon une seconde solution du mode d'exécution de l'invention. La figure 7 représente schématiquement le circuit électrique du dispositif de charge d'une batterie selon une variante du mode d'exécution de l'invention. La figure 8 représente le dispositif de charge d'une batterie selon une première réalisation de l'invention. La figure 9 représente le dispositif de charge d'une batterie selon une seconde réalisation de l'invention. A titre non limitatif, l'invention sera décrite en relation avec un véhicule automobile électrique. Les figures 1 à 3 illustrent plus précisément un principe possible de fonctionnement de charge sans contact d'un véhicule automobile, avant l'introduction détaillée de la solution retenue par la présente invention. 20 Un véhicule automobile 1 électrique, dont le moteur est alimenté en énergie électrique par une batterie, est équipé dans son bas de caisse d'un récepteur 2 sans contact relié à la batterie non représentée, qui reçoit une puissance 9 transmise par un émetteur 12 au travers un espace 7 entre l'émetteur 12 et le récepteur 2, alors que le véhicule repose sur le sol 8 25 d'une place de stationnement équipée d'un émetteur 12, tel que représenté sur la figure 1. Le système de charge de la batterie du véhicule se compose donc de deux composants principaux qui coopèrent sans contact, un émetteur 12 fixé au sol 8 et un récepteur 2 monté sur le véhicule automobile. 30 L'émetteur 12 comprend principalement une bobine 13 dite primaire, qui est positionnée de manière fixe au niveau d'une place de stationnement d'un15 véhicule automobile, alimentée par un circuit résonnant qui sera décrit par la suite. Cet émetteur 12 est avantageusement intégré dans un volume aménagé au sein de la place de stationnement, de sorte que la partie de l'émetteur 12 comprenant la bobine primaire 13 ne dépasse pas ou peu du niveau du sol 8 sur lequel se place un véhicule automobile. En variante, l'émetteur peut être disposé entièrement au-dessus du sol 8 pour faciliter son positionnement. La figure 2 illustre schématiquement en coupe de côté la position relative de la bobine 13 de l'émetteur 12, qui dépasse légèrement au-dessus du niveau du sol 8, de sorte de se trouver à une distance e au-dessous de la bobine dite secondaire 3 du récepteur 2 aménagé au sein du véhicule automobile 1, dans une direction verticale z. La bobine secondaire 3 est apte à la réception d'une puissance 9 transmise par la bobine primaire 13 au travers de l'espace 7 les séparant, appelé entrefer, sans nécessiter de connexion électrique physique au niveau du véhicule automobile. Le récepteur 2 est avantageusement aménagé dans le bas de caisse du véhicule automobile, intégré dans le châssis du véhicule, pour minimiser la distance e et optimiser le transfert de puissance au travers de l'espace 7. Ce système de charge de batterie peut être positionné à différentes positions du véhicule, par exemple en partie avant, au milieu ou bien encore en partie arrière du véhicule. La figure 3 représente de manière simplifiée le schéma électrique du système de charge sans contact d'une batterie 10 de véhicule automobile prévu pour un tel véhicule. L'émetteur 12 comprend une connexion 15 vers le réseau de distribution d'énergie électrique ou secteur 16, un convertisseur AC/DC 17 dont la fonction est de transformer le courant alternatif du secteur 16 en un courant continu, fournissant une tension continue Vdc en entrée d'un onduleur 18 dont la fonction est de transmettre une puissance oscillante au niveau de la bobine primaire 13. Le récepteur 2, agencé au sein du véhicule automobile, comprend une bobine secondaire 3 qui reçoit la puissance transmise par la bobine primaire 13, dont le champ magnétique généré induit un courant électrique au sein de la bobine secondaire 3 au travers de l'espace 7. Ce courant électrique traverse un régulateur ou redresseur 4 puis un filtre 11 avant d'atteindre la batterie 10, permettant ainsi sa charge. Le système de charge est de plus contrôlé par un dispositif de commande 19, qui comprend des moyens logiciels et/ou matériels pour mettre en oeuvre un procédé de charge de batterie. Le concept de l'invention consiste à prévoir un autre moyen de charge de la batterie pour pouvoir la recharger le plus simplement possible, lorsqu'un chargeur sans contact du type de l'émetteur 12 décrit ci-dessus n'est pas disponible. La solution repose sur la présence d'une seconde bobine positionnée au sein du véhicule automobile, qui se substitue à la bobine primaire 13 décrite précédemment lorsqu'une telle bobine n'est pas disponible. La figure 4 illustre un système de charge selon l'invention, incluant deux moyens de charge sans contact de la batterie 10. Normalement, un seul de ces moyens sera exploité à un instant donné. Ainsi, le système de charge de la batterie 10 comprend un récepteur 2 similaire à la description précédente prévu à bord du véhicule. En revanche, le véhicule automobile intègre une seconde bobine de type primaire, que nous appellerons bobine de secours 23, apte à une liaison électrique avec l'extérieur par un connecteur 24. Un kit de charge de secours 32 peut ainsi être connecté au véhicule automobile par ce connecteur 24 de sorte d'alimenter la bobine de secours 23 dont la fonction est d'induire la charge de la batterie 10 par un procédé sans contact. Ainsi, l'ensemble formé par le kit 32 et la bobine de secours 23 représente un ensemble similaire et alternatif à l'émetteur 12 pour la charge de la batterie 10. En option, un émetteur supplémentaire 12 tel que décrit précédemment peut aussi être prévu, de sorte de laisser plusieurs options de charge de batterie à un conducteur du véhicule électrique. Finalement, le système de charge d'une batterie 10 d'un véhicule automobile comprend donc une partie 20 au sein du véhicule automobile comprenant principalement deux bobines 3, 23. Il comprend de plus un kit de charge de secours 32 et un émetteur distinct 12. Le kit de charge de secours 32 se présente avantageusement sous la forme d'un appareil portable, et comprend principalement un convertisseur AC/AC 37 adapté pour transformer la fréquence du secteur égale à 50 Hz en une fréquence comprise dans la fourchette [20 kHz ; 150 kHz]. Le kit de charge de secours 32 comprend de plus une prise secteur 35 en entrée et un connecteur de sortie 34, destiné à une liaison avec le connecteur 24 d'un véhicule automobile. En option, il peut être équipé d'un moyen de communication sans fil pour dialoguer avec le véhicule pendant une phase de charge. Cela permet la régulation de la charge de la batterie, par une transmission du niveau de puissance, et permet au kit de charge de secours 32 de ne commencer la charge que lorsque le véhicule est prêt à être rechargé et de terminer la charge quand la batterie est entièrement chargée. Toutefois, le moyen de communication reste optionnel : cette dernière fonction de gestion du début et de la fin de charge peut être faite par le connecteur de sortie 34. Ainsi, quand la charge de la batterie 10 est nécessaire et qu'aucun émetteur 12 n'est disponible, il suffit de relier le véhicule au secteur par l'intermédiaire d'un kit de charge 32 pour mettre en oeuvre un procédé de charge de la batterie. Ce kit est simple, peu encombrant et léger, ce qui rend son transport et sa manipulation aisés. La bobine de secours 23 est positionnée relativement à la bobine secondaire 3 au sein du véhicule automobile de sorte de permettre le transfert de puissance de manière optimale entre les deux bobines. La figure 5 représente à cet effet une première solution, dans laquelle la bobine de secours 23 est superposée à la bobine secondaire 3. Naturellement, la distance e entre ces deux bobines sera avantageusement très faible pour permettre un transfert de puissance optimisé. La figure 6 représente une seconde solution dans laquelle les deux bobines secondaire 3 et de secours 23 sont imbriquées, leurs spires étant alternées dans un même plan. Dans les deux cas, les deux bobines présentent sensiblement le même diamètre. Naturellement, l'invention ne se limite pas à ces deux réalisations décrites et les deux bobines pourraient présenter d'autres formes et dimensions sans sortir du concept de l'invention. L'invention a été décrite sur la base d'un kit de secours 32 permettant la charge de la batterie d'un véhicule automobile. L'invention porte ainsi sur un système de charge comprenant deux bobines complémentaires au sein du véhicule automobile, le kit de secours pouvant représenter le seul dispositif extérieur de charge de la batterie. Toutefois, le concept de l'invention reste compatible et applicable à tout autre émetteur, comme un émetteur 12 de batterie fixé au niveau du sol et tel que décrit précédemment, ou un émetteur par exemple portatif, mobile, ou un émetteur qui ne serait pas fixé au niveau du sol mais sur un mur, apte à coopérer avec un récepteur placé en correspondance sur le véhicule. En variante, les deux moyens de charge 12, 32 parallèles du système de charge pourraient être utilisés simultanément de sorte d'accélérer le processus de charge de la batterie (4 heures pour 6kW au lieu de 7 heures pour 3kW), selon le procédé de charge suivant : - positionnement du véhicule automobile à proximité d'un émetteur (12) dont une bobine primaire (13) transmet une première puissance de charge à la batterie (10) du véhicule par l'intermédiaire d'une bobine secondaire (3) montée à bord du véhicule automobile ; - connexion électrique au secteur d'une bobine de secours (23) montée à bord du véhicule automobile pour transmettre simultanément une seconde puissance de charge à la batterie (10). L'intégration de la bobine de secours 23 au sein du véhicule présente l'avantage de permettre un alignement optimal et fiable des deux bobines 3, 23, et une grande sécurité, puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir un système anti-intrusion. En variante illustrée sur la figure 7, la bobine de secours 23' pourrait toutefois être déportée au sein du kit de charge de secours 32' au lieu de se trouver dans le véhicule automobile, afin de pouvoir exploiter le kit de secours avec tout véhicule, même si cela nécessite un kit de secours plus encombrant. Dans un tel cas, le kit de secours 32' peut se présenter sous la forme d'un tapis 38', de format sensiblement rectangulaire de 90 par 90 cm et de hauteur inférieure à 10 cm, intégrant notamment la bobine de secours 23'. Dans la première réalisation représentée sur la figure 8, ce tapis 38' intègre toutes les fonctions essentielles, et peut être relié au secteur pas un simple fil et une prise secteur 35'. Dans la seconde réalisation de la figure 9, une partie 39' de la fonction d'alimentation, plus précisément correspondant ou incluant le convertisseur AC-AC, est déportée hors du tapis 38', et disposée entre la prise secteur 35' et le tapis. 11 REVENDICATIONS :1. Partie de dispositif de charge d'une batterie (10) destinée à être montée au sein d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend une bobine secondaire (3) apte à une connexion avec la batterie (10) de sorte de pouvoir lui transmettre un courant de charge, et une bobine de secours (23) apte à une connexion électrique lui permettant de transférer une puissance de charge sans contact vers la bobine secondaire (3) pour générer un courant dans cette bobine secondaire. 2. Partie de dispositif de charge d'une batterie (10) automobile selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la bobine de secours 15 (23) et la bobine secondaire (3) sont superposées. 3. Partie de dispositif de charge d'une batterie (10) automobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bobine de secours (23) et la bobine secondaire (3) sont imbriquées l'une dans l'autre dans un même 20 plan. 4. Partie de dispositif de charge d'une batterie (10) automobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un régulateur ou redresseur (4) reliée à la bobine secondaire 25 (3) et un filtre (11). 5. Véhicule automobile comprenant une batterie (10) pour son alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend une partie (20) de dispositif de charge de sa batterie (10) automobile selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, et un connecteur (24) lié à la bobine de secours (23) pour relier la bobine de secours à un kit de charge de secours (32). 6. Système de charge pour batterie (10) d'alimentation électrique d'un véhicule automobile comprenant : - une partie de dispositif de charge d'une batterie (10) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant un récepteur (2) comprenant la bobine secondaire (3) et une bobine de secours (23) reliée à un connecteur (24), et - un kit de secours (32) comprenant un convertisseur AC/AC (37), une prise secteur (35) et une prise de sortie (34) apte à une connexion avec le connecteur (24). 7. Système de charge pour batterie (10) d'alimentation électrique d'un véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur (12) distinct du kit de secours (32) comprenant une bobine primaire (13) apte à une liaison sans contact avec la bobine secondaire (3) pour lui transmettre une puissance de charge.