Brevet FR3011205A1 — publié le 20150403

Dispositif de génération d'électricité pour véhicule comportant un moteur thermique La présente invention concerne un dispositif de génération d'électricité pour véhicules comportant un moteur thermique. Elle s'applique notamment aux véhicules automobiles hybrides. Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (CO2) est un défi majeur auquel sont confrontés les constructeurs automobiles, les 10 normes étant toujours plus exigeantes en la matière. Outre l'amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui s'accompagne d'une baisse des émissions de CO2, les véhicules électriques (« EV » d'après la terminologie anglo-saxonne « Electric Vehicle ») et les véhicules hybrides thermique-électrique (« HEV » 15 d'après la terminologie anglo-saxonne « Hybrid Electric Vehicle ») sont aujourd'hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de CO2. Différentes technologies de gestion de l'énergie électrique ont été testées dans les dernières années, afin de répondre aux besoins des EV et HEV. Par exemple, les batteries lithium-ion (li-ion) offrent 20 un excellent compromis entre densité d'énergie, qui favorise l'autonomie, et densité de puissance, qui favorise les performances, en termes d'accélération notamment. C'est pourquoi elles sont très couramment choisies comme « batterie de traction » pour alimenter le moteur électrique d'un EV ou d'un HEV. 25 Dans un HEV, un moteur thermique est toujours disponible pour prendre le relai du moteur électrique en cas de décharge totale de la batterie de traction. Cependant, dans ce mode de fonctionnement purement thermique, la consommation de carburant augmente significativement, et donc incidemment les émissions de CO2. Il convient donc de limiter au 30 maximum le recours à ce mode de fonctionnement. Il s'agit là d'un problème que la présente invention se propose de résoudre. L'état de la technique enseigne différentes stratégies, notamment en vue d'optimiser le rendement du moteur électrique et de minimiser la consommation des consommateurs auxiliaires. Il s'agit là tout simplement d'économiser l'énergie stockée dans la batterie de traction. D'autres stratégies visent à récupérer l'énergie habituellement perdue. Il peut s'agir de récupérer l'énergie cinétique habituellement perdue par freinage mécanique : on parle alors de « freinage récupératif », le moteur électrique fonctionnant alors comme une génératrice. Il peut s'agir également de récupérer l'énergie thermique habituellement perdue via le système d'échappement. Ainsi, la demande de brevet américain US2008135082 divulgue une automobile comportant, dans le but de réduire la consommation de carburant, un module de conversion thermoélectrique par effet Seebeck. La chaleur des gaz d'échappement est transmise au module par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur comportant des conduits pour le passage des gaz d'échappement, ainsi que des conduits pour le passage d'eau de refroidissement. La complexité de conception, d'implantation dans un véhicule puis d'entretien d'un tel dispositif comportant des conduits pour le passage d'eau de refroidissement entraîne des surcoûts non négligeables, tant pour le constructeur que pour le conducteur. Il s'agit là d'un inconvénient que la présente invention se propose d'éviter. La présente invention a notamment pour but de fournir, grâce à un échangeur de chaleur par convection forcée, un système simple et fiable de génération d'énergie électrique à partir des gaz d'échappement d'un véhicule comportant un moteur thermique. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de génération d'électricité pour un véhicule comportant un moteur thermique. Le dispositif comporte des moyens pour transférer de la chaleur provenant des gaz d'échappement dudit moteur vers des moyens pour générer de l'électricité par effet Seebeck en exposant simultanément une partie desdits moyens à une source froide et une autre partie desdits moyens à une source chaude. Les moyens pour transférer la chaleur comportent des moyens de convection d'air forcé. Dans un mode de réalisation, les moyens de convection d'air forcé peuvent comporter des moyens pour prélever à l'extérieur du véhicule roulant de l'air sous pression dynamique et séparer cet air sous pression en 35 deux flux. Les moyens de convection d'air forcé peuvent aussi comporter des moyens pour échanger des calories des gaz d'échappement vers l'un des deux flux d'air sous pression, de manière à réchauffer ce flux d'air sous pression. Les moyens de convection d'air forcé peuvent aussi comporter des moyens pour exposer simultanément au flux d'air sous pression réchauffé, la partie des moyens pour générer de l'électricité devant être exposée à une source chaude, et pour exposer à l'autre flux d'air sous pression, la partie des moyens pour générer de l'électricité devant être exposée à une source froide. Avantageusement, les moyens pour prélever l'air sous pression dynamique et le séparer en deux flux peuvent inclure une rampe d'admission comportant une bouche d'entrée et deux sorties apte à être disposée de telle sorte que la bouche prélève l'air à la surface extérieure du capot du véhicule, et de telle sorte que des deux sorties sortent respectivement les deux flux dans le compartiment du moteur thermique. Avantageusement, les moyens pour échanger des calories des gaz d'échappement vers l'un des deux flux d'air sous pression peuvent inclure un échangeur, ledit échangeur pouvant comporter un conduit dans lequel circule les gaz d'échappement ainsi qu'un conduit dans lequel circule ledit flux d'air sous pression, les deux conduits pouvant avoir au moins une partie de leurs parois respectives qui est commune, de manière à échanger les calories au travers de ladite partie commune de paroi. Par exemple, le conduit dans lequel circule les gaz d'échappement peut être sensiblement rectiligne et le conduit dans lequel circule ledit flux d'air sous pression peut avoir sensiblement la forme d'un hélicoïde dont l'axe est le conduit rectiligne dans lequel circule les gaz d'échappement, de sorte que les calories soient aptes à être échangées au travers de sensiblement l'intégralité de la paroi du conduit rectiligne. Par exemple, les moyens pour exposer aux deux flux d'air sous pression les moyens pour générer de l'électricité peuvent inclure un pack comportant deux entrées dans lesquelles entrent respectivement les deux dits flux. Les moyens pour exposer aux deux flux d'air sous pression les moyens pour générer de l'électricité peuvent également inclure un support à glissière dans lequel sont rangés des éléments thermoélectriques en forme de plaque dont une face est apte à être exposée à la source chaude et l'autre face est apte à être exposée à la source froide pour générer de l'électricité, les éléments étant espacés deux à deux. Les moyens pour exposer aux deux flux d'air sous pression les moyens pour générer de l'électricité peuvent également inclure des moyens de guidage des deux dits flux, de manière à exposer simultanément au flux d'air sous pression réchauffé, toutes les faces aptes à être exposées à la source chaude et à l'autre flux d'air sous pression, toutes les faces aptes à être exposées à la source froide. Par exemple, les moyens de guidage des deux flux peuvent inclure des carters forçant le passage des deux flux entre les éléments thermoélectriques et leur sortie hors du pack par une sortie dudit pack. Les moyens de guidage des deux flux peuvent également inclure des bouchons disposés de manière à empêcher d'exposer au flux d'air sous pression réchauffé les faces aptes à être exposées à la source froide et de manière à empêcher d'exposer à l'autre flux d'air sous pression, les faces aptes à être exposées à la source chaude. La présente invention a également pour objet un véhicule comportant un tel dispositif de génération d'électricité. Outre la simplicité et la fiabilité, l'invention décrite précédemment a encore pour principal avantage qu'elle n'induit aucun surcoût énergétique pour forcer la convection, comme décrit en détails par la suite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des figures 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 5c et 5d fournies en annexe, qui représentent un même exemple de réalisation de l'invention par différentes vues en perspective. Sur ces figures, les mêmes références représentent les mêmes éléments. La figure 1 illustre un sous-ensemble de caisse 9 d'un véhicule automobile, comportant un capot 91, un tablier 92 et un plancher 93 sur lequel est implanté un exemple de réalisation de la présente invention, cet exemple de réalisation étant illustré isolément par la figure 2. Une ligne d'échappement 1 est raccordée en sortie d'un collecteur d'un moteur thermique équipant le véhicule, ledit moteur et ledit collecteur n'étant pas représentés sur les figures pour des raisons de clarté. Lorsque le moteur thermique est démarré, des gaz d'échappement très chaud sortent du collecteur et traversent la ligne d'échappement 1. Un échangeur de chaleur 2 est raccordé en sortie de la ligne d'échappement 1 par une de ses entrées 21. Les gaz d'échappement très chauds pénètrent donc l'échangeur 2 par l'entrée 21. Une ligne d'échappement 8 est raccordée à l'échangeur 2 par une de ses sorties 22. Les gaz d'échappement très chauds traversent ainsi l'échangeur 2, directement de son entrée 21 à sa sortie 22 via un conduit 25 sensiblement rectiligne, avant de s'échapper par la ligne d'échappement 8. Celle-ci peut se prolonger par divers moyens d'atténuation sonore, non représentés sur les figures pour des raisons de clarté. Si la ligne d'échappement 1 était équipée de moyens d'atténuation de la pollution gazeuse, alors l'échangeur 2 devrait être positionné après ces moyens par rapport au sens de déplacement des gaz d'échappement. Une rampe d'admission d'air 4, illustrée en détail par les figures 3a à 3d est disposée de manière à prélever, lorsque le véhicule roule, de l'air froid par une bouche 43 faisant saillie sur la face supérieure du capot 91, à l'extérieure du véhicule, et de manière à guider cet air froid vers la face intérieure du capot 91, dans le compartiment moteur, par l'intermédiaire de deux sorties 41 et 42. Un conduit d'entrée d'air froid 5 est raccordé à la sortie 41 et amène l'air froid à une entrée 23 de l'échangeur 2. Comme illustré par les figures 4a à 4d, l'air traverse l'échangeur 2 en parcourant un conduit 28 délimité par une paroi 26 ayant sensiblement la forme d'un hélicoïde, la paroi extérieure du conduit 25 qui forme l'axe de l'hélicoïde et la paroi intérieure d'un cylindre 27 formant le corps de l'échangeur 2. L'air suit ainsi lui-même dans le conduit 28 un cheminement de forme sensiblement hélicoïdale à travers l'échangeur 2 au contact direct du conduit 25 dans lequel circulent les gaz d'échappement très chauds. Ce long cheminement au contact direct du conduit 25 permet un réchauffement très efficace de l'air, de sorte qu'il quitte l'échangeur 2 par une sortie 24 à une température bien supérieure à la température à laquelle il est entré par l'entrée 23. L'air réchauffé quitte l'échangeur 2 par un conduit d'air chaud 6 raccordé à la sortie 24, le conduit 6 amenant l'air réchauffé à une entrée 31 d'un pack 3 pour une batterie 33 d'éléments thermoélectriques. Un conduit d'entrée d'air froid 7 est raccordé à l'autre sortie 42 de la rampe 4 et amène l'air froid à une autre entrée 32 du pack 3. L'échangeur 2 constitue un échangeur de chaleur par convection forcée dès lors que le véhicule roule : l'air s'engouffre alors en force dans la rampe 4 par sa bouche 43 sous la pression dynamique qu'exerce l'air ambiant sur le véhicule. Cet air sous pression est amené à l'échangeur 2 via la sortie 41 et le conduit 5. Il pénètre donc sous pression dans l'échangeur 2 via son entrée 23, cette pression augmentant avec la vitesse du véhicule. Comme illustré par les figures 5a à 5d, la batterie 33 comporte cinq éléments thermoélectriques à effet Seebeck rangés dans un support à glissières 36. En fonction du courant électrique nécessaire, la batterie 33 pourrait en comporter plus de cinq sans déroger aux principes de la présente invention. Ils sont connectés entre eux en série et/ou en parallèle, de manière à fournir un courant conforme à des caractéristiques prédéfinies en termes de tension et d'intensité. Avantageusement, ce courant peut être utilisé pour alimenter des consommateurs auxiliaires, comme un système de chauffage et/ou de climatisation de l'habitacle, ou encore pour recharger une batterie, qu'il s'agisse d'une batterie de traction ou d'une batterie de servitude. Dans le présent exemple de réalisation, chaque élément thermoélectrique a la forme d'une plaque rectangulaire à deux faces et est glissé dans une glissière du support 36. Une face est faite d'une couche d'un matériau devant être exposé à une source chaude : dans le présent exemple de réalisation, il s'agit de l'air réchauffé issu de l'entrée 31. L'autre face est faite d'un matériau devant être exposée à une source froide : dans le présent exemple de réalisation, il s'agit de l'air froid issu de l'entrée 32. De la différence de température entre la source chaude et la source froide dépend la quantité d'énergie générée par effet Seebeck. Il faut donc bien comprendre que plus l'échangeur 2 est efficace pour réchauffer l'air, plus la quantité d'énergie générée par la batterie 33 est importante. Les cinq éléments thermoélectriques constituant la batterie 33 sont rangés dans le support à glissières 36 sensiblement parallèlement les uns par rapport aux autres, espacés deux à deux. Deux éléments adjacents ont leurs faces faites du même matériau agencées en regard l'une de l'autre. Deux carters latéraux 38, auxquels sont raccordées les entrées d'air 31 et 32, ainsi qu'un carter avant 39, permettent de fermer le support 36 de telle sorte que l'air entrant par les entrées 31 et 32 ne puisse que s'engouffrer entre les éléments thermoélectriques constituant la batterie 33 pour s'échapper par une sortie 363 située en partie arrière du support 36 à l'opposé du carter 39. Le support 36 laisse libre le passage à l'air froid entre les éléments adjacents mettant en regard l'une de l'autre leurs faces devant être exposées à la source froide. De même le support 36 laisse libre le passage à l'air réchauffé entre les éléments adjacents mettant en regard l'une de l'autre leurs faces devant être exposées à la source chaude. Par contre, le support 36 comporte des bouchons 361 disposés entre les éléments adjacents mettant en regard l'une de l'autre leurs faces devant être exposées à la source froide, de manière à empêcher le passage de l'air réchauffé issu de l'entrée 31 entre lesdits éléments. De même, le support 36 comporte des bouchons 362 disposés entre les éléments adjacents mettant en regard l'une de l'autre leurs faces devant être exposées à la source chaude, de manière à empêcher le passage de l'air froid issu de l'entrée 32 entre lesdits éléments. Avantageusement, les bouchons 361 et 362 peuvent jouer à la fois le rôle de bouchon et le rôle de glissière, comme dans le présent exemple de réalisation. Après contact avec les éléments thermoélectriques constituant la batterie 33, l'air froid et l'air réchauffé se mélangent ensuite dans une sortie 363 qui débouche dans une rampe de sortie d'air 37 qui évacue l'air sous le véhicule. Outre la simplicité et la fiabilité, l'invention décrite précédemment a donc pour principal avantage que l'air est mis sous pression dans 35 l'échangeur de chaleur sans consommation d'énergie supplémentaire : c'est la pression dynamique exercée par l'air ambiant sur la carrosserie du véhicule en mouvement qui est utilisée pour mettre l'air sous pression dans l'ensemble du dispositif, notamment dans son échangeur. Outre les HEV, cette invention peut également être appliquée sur un véhicule thermique classique, pour alimenter des consommateurs auxiliaires ou recharger sa batterie de servitude par exemple. REVENDICATIONS1. Dispositif de génération d'électricité pour un véhicule comportant un moteur thermique, le dispositif comportant des moyens pour transférer de la chaleur provenant des gaz d'échappement dudit moteur vers des moyens pour générer de l'électricité par effet Seebeck en exposant simultanément une partie desdits moyens à une source froide et une autre partie desdits moyens à une source chaude, le dispositif étant caractérisé en ce que les moyens pour transférer la chaleur comportent des moyens de convection d'air forcé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de convection d'air forcé comportent : - des moyens pour prélever à l'extérieur du véhicule roulant de l'air sous pression dynamique et séparer cet air sous pression en deux flux ; - des moyens pour échanger des calories des gaz d'échappement vers l'un des deux flux d'air sous pression, de manière à réchauffer ce flux d'air sous pression ; - des moyens pour exposer simultanément : o au flux d'air sous pression réchauffé, la partie des moyens pour générer de l'électricité devant être exposée à une source chaude ; o à l'autre flux d'air sous pression, la partie des moyens pour générer de l'électricité devant être exposée à une source froide. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour prélever l'air sous pression dynamique et le séparer en deux flux incluent une rampe d'admission (4) comportant une bouche d'entrée (43) et deux sorties (42, 43) apte à être disposée de telle sorte que : - la bouche (43) prélève l'air à la surface extérieure du capot (91) du véhicule, et ; - des deux sorties sortent respectivement les deux flux dans le compartiment du moteur thermique. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour échanger des calories des gaz d'échappement vers l'un des deux flux d'air sous pression incluent un échangeur (2), ledit échangeur comportant un conduit (25) dans lequel circule les gaz d'échappement ainsi qu'un conduit (28) dans lequel circule ledit flux d'air sous pression, les deux conduits ayant au moins une partie de leurs parois respectives qui est commune, de manière à échanger les calories au travers de ladite partie commune de paroi. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit (25) dans lequel circule les gaz d'échappement est sensiblement rectiligne et le conduit (28) dans lequel circule ledit flux d'air sous pression a sensiblement la forme d'un hélicoïde dont l'axe est le conduit rectiligne dans lequel circule les gaz d'échappement, de sorte que les calories sont aptes à être échangées au travers de sensiblement l'intégralité de la paroi du conduit rectiligne. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour exposer aux deux flux d'air sous pression les moyens pour générer de l'électricité incluent un pack (3) comportant : - deux entrées (31, 32) dans lesquelles entrent respectivement les deux dits flux ; - un support à glissière (36) dans lequel sont rangés des éléments thermoélectriques (33) en forme de plaque dont une face est apte à être exposée à la source chaude et l'autre face est apte à être exposée à la source froide pour générer de l'électricité, les éléments étant espacés deux à deux ; - des moyens de guidage des deux dits flux, de manière à exposer simultanément : o au flux d'air sous pression réchauffé, toutes les faces aptes à être exposées à la source chaude ; o à l'autre flux d'air sous pression, toutes les faces aptes à être exposées à la source froide. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de guidage des deux flux incluent :- des carters (38, 39) forçant le passage des deux flux entre les éléments thermoélectriques (3) et leur sortie hors du pack (3) par une sortie (363) dudit pack ; - des bouchons (361, 362) disposés de manière à empêcher : o d'exposer au flux d'air sous pression réchauffé les faces aptes à être exposées à la source froide ; o d'exposer à l'autre flux d'air sous pression, les faces aptes à être exposées à la source chaude. 8. Véhicule comportant un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de génération d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes.