Brevet FR3030387A1 — publié le 20160624

Système de traction à motorisation électrique et comprenant un réservoir cryogénique pour véhicule La présente invention concerne le domaine des véhicules à motorisation électrique. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de traction pour véhicule comprenant au moins une machine électrique susceptible d'agir sur au moins un organe d'avancement du véhicule, (tel qu'une roue, une hélice, une turbine, une pale, ou encore une chenille), un moyen de génération d'énergie apte à alimenter en énergie électrique ladite machine et des moyens d'alimentation dudit moyen en hydrogène comprenant un réservoir embarqué pour le stockage d'hydrogène. Le moyen de génération d'énergie peut par exemple une pile à combustible. Une pile à combustible permet la génération d'énergie électrique par une réaction électrochimique à partir d'hydrogène (le carburant) et d'oxygène (le comburant). Une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons à électrolyte solide (PEMFC) comprend un élément anodique et un élément cathodique séparés par un électrolyte solide sous la forme d'une membrane réalisée par exemple en matériau polymère perfluoré sulfuré. Une telle pile à combustible est généralement constituée d'un empilement de cellules élémentaires, chaque cellule constituant un générateur électrochimique. Les cellules sont branchées en série et leur alimentation en réactif, c'est-à-dire en hydrogène à l'anode et en oxygène à la cathode, se fait en parallèle. Il est connu de réaliser un stockage d'hydrogène sous forme gazeuse dans un réservoir haute pression embarqué sur le véhicule pour assurer l'alimentation de la pile à combustible. Cependant, avec cette solution, l'autonomie du véhicule est relativement faible pour un encombrement important du réservoir de stockage. Ceci est problématique pour une application à des véhicules automobiles de tourisme mais encore plus particulièrement pour une application à des véhicules automobiles de transport de marchandises. Afin d'augmenter la quantité d'hydrogène pouvant être embarqué par unité de volume, il est connu d'utiliser un réservoir cryogénique afin de stocker l'hydrogène sous forme liquide. Pour plus de détail sur un exemple de réalisation de réservoir cryogénique, on pourra par exemple se référer à la demande de brevet DE-A1-10 2006 025 654 (BMW). Le coût énergétique d'une telle solution est cependant important. Par ailleurs, de sorte à augmenter l'autonomie d'un véhicule à motorisation électrique il est connu de récupérer l'énergie de freinage en convertissant l'énergie cinétique du véhicule en une énergie électrique qui est stockée afin d'être réutilisée ultérieurement, notamment lors de phases de démarrage et d'accélération. Dans ce mode de récupération d'énergie, la machine électrique fonctionne en génératrice. Afin d'assurer le stockage de l'énergie électrique créée, il est connu d'utiliser des accumulateurs électriques ou des supercondensateurs. On comprend qu'il existe un besoin permanent d'augmenter l'autonomie d'un véhicule à motorisation électrique. La présente invention concerne un système de traction pour véhicule comprenant au moins une machine électrique apte à agir sur au moins un organe d'avancement du véhicule et apte à fonctionner en moteur ou en génératrice, au moins un moyen de génération d'énergie électrique pour l'alimentation en énergie électrique de la machine électrique lors d'un fonctionnement en moteur, des moyens d'alimentation en hydrogène dudit moyen de génération comprenant au moins un réservoir cryogénique pour le stockage d'hydrogène sous forme liquide, et un dispositif de stockage de l'énergie électrique créée par la machine électrique lors d'un fonctionnement en génératrice. Le dispositif de stockage comprend au moins une bobine supraconductrice disposée à l'intérieur du réservoir cryogénique. Les frigories emmagasinées par l'hydrogène sous forme liquide qui est stocké dans le réservoir cryogénique assurent le refroidissement de la bobine supraconductrice. La bobine supraconductrice, qui est utilisée pour le stockage de l'énergie électrique générée par la machine électrique lors d'un fonctionnement en génératrice, est refroidie par immersion dans l'hydrogène sous forme liquide qui est lui-même stocké en vue de l'alimentation du moyen de génération d'énergie électrique. L'immersion de la bobine supraconductrice dans l'hydrogène liquide peut être totale ou partielle selon le niveau de remplissage du réservoir de stockage. Avec un montage de la bobine supraconductrice à l'intérieur du réservoir cryogénique, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens spécifiques pour le refroidissement de la bobine. Le bilan énergétique du système de traction n'est donc pas pénalisé par l'utilisation d'un stockage à inductance supraconductrice. Le réservoir cryogénique remplit une double fonction, à savoir le stockage de l'hydrogène sous forme liquide en vue de l'alimentation du moyen de génération d'énergie électrique et le stockage de la bobine supraconductrice. Le réservoir assure un stockage d'énergie chimique via l'hydrogène sous forme liquide et un stockage d'énergie électrique via la bobine supraconductrice. L'utilisation d'une bobine supraconductrice est particulièrement avantageuse dans la mesure où il est possible de stocker plus d'énergie de freinage qu'avec un stockage à l'aide de supercondensateurs. L'utilisation d'une bobine supraconductrice permet d'accroître l'autonomie du véhicule associé. En outre, le temps de recharge d'une bobine supraconductrice est relativement court et l'énergie stockée dans la bobine sous forme magnétique et électrique peut être récupérée dans un très court laps de temps. De préférence, la bobine supraconductrice est disposée à l'intérieur du réservoir cryogénique de sorte à être entièrement immergée dans l'hydrogène sous forme liquide dans un état rempli dudit réservoir. Dans un mode de réalisation, le réservoir cryogénique comprend une enveloppe externe, une enveloppe interne pour le stockage de l'hydrogène sous forme liquide et à l'intérieur de laquelle est entièrement logée la bobine supraconductrice, et un espace de super-isolation séparant lesdites enveloppes. Le réservoir cryogénique peut comprendre un conduit de remplissage apte à être connecté à une source externe pour remplissage dudit réservoir. Avantageusement, la bobine supraconductrice est réalisée dans un matériau supraconducteur présentant une température critique supérieure à une température de stockage de l'hydrogène sous forme liquide à l'intérieur du réservoir cryogénique. La bobine supraconductrice peut être branchée sur une ligne électrique reliant le moyen de génération d'énergie électrique et la machine électrique. Dans un mode de réalisation, le système comprend une unité de contrôle du mode de fonctionnement de la bobine supraconductrice apte à sélectionner un mode de récupération d'énergie, ou un mode de stockage d'énergie ou un mode de restitution d'énergie. Dans un mode de réalisation, le moyen de génération d'énergie électrique comprend au moins une pile à combustible. Le système peut comprendre au moins deux machines électriques aptes à agir chacune sur un organe d'avancement propre du véhicule. L'invention concerne également un véhicule routier comprenant un système de traction tel que défini précédemment. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un véhicule à motorisation électrique selon un exemple de réalisation, et - la figure 2 est une vue de détail de la figure 1 illustrant en perspective un réservoir cryogénique du véhicule. Sur la figure 1, on a représenté un système 10 de traction qui est destiné à être utilisé à bord d'un véhicule automobile 12 de tourisme. Le système 10 peut cependant être utilisé dans d'autres applications, par exemple pour un véhicule automobile de type camion ou moto ou encore pour un véhicule naval ou aérien. Le système 10 comprend deux machines 14, 16 électriques, une pile 18 à combustible pour alimenter en énergie électrique les machines et des moyens d'alimentation 20, 22 en gaz de la pile. Dans l'exemple de réalisation illustré, chaque machine 14, 16 électrique est intégrée dans une des roues avant 12a, 12b du véhicule automobile. En variante, il est possible d'intégrer les machines 14, 16 électriques dans les roues arrière du véhicule ou encore de prévoir une unique machine électrique couplée mécaniquement aux deux roues. Les machines 14, 16 électriques sont des machines synchrones. Les machines 14, 16 peuvent être utilisées en moteur en absorbant de l'énergie électrique et en générateur en produisant de l'énergie électrique. La pile 18 à combustible fonctionne à base d'hydrogène et d'oxygène. Le moyen d'alimentation 20 comprend un réservoir 24 basse température ou cryogénique pour le stockage de l'hydrogène sous forme liquide, et une conduite 26 d'alimentation reliant le réservoir 24 à la pile 18 à combustible. Dans l'exemple de réalisation illustré, le moyen d'alimentation 22 comprend une conduite 28 alimentant la pile 18 à combustible avec l'oxygène contenu dans l'air. En variante, il est possible de prévoir d'autres moyens pour l'alimentation en oxygène de la pile 18, par exemple un réservoir embarqué pour le stockage d'oxygène pur sous forme comprimé ou encore un réacteur de décomposition de chlorate de sodium embarqué qui est alimenté par un réservoir de chlorate de sodium également embarqué. La pile 18 à combustible permet d'alimenter en énergie électrique les machines 14, 16 électriques. La pile 18 génère un courant électrique continu, envoyé via un convertisseur 30 du type DC/DC du système, aux deux machines 14, 16. Le convertisseur 30 permet d'adapter la tension fournie par la pile 18 à celle requise par les machines 14, 16. Par exemple, pour une pile fournissant un voltage de 90 à 150 volts, le convertisseur 30 rehausse la tension par exemple à des valeurs pouvant se situer entre 250 et 300 volts. Les machines 14, 16 sont couplées à une première ligne électrique 32 du système sur laquelle est branchée la pile 18 à combustible. Le réservoir 24 permet un stockage de l'hydrogène sous forme liquide à des températures cryogéniques. Le réservoir 24 comprend une enveloppe externe 24a, une enveloppe interne 24b et un espace de super-isolation 24c séparant lesdites enveloppes. Cet espace est occupé par du vide et des couches de feuilles d'aluminium (non représentées). L'hydrogène est stocké dans l'enveloppe interne 24b du réservoir dans un état gazeux et un état liquide. La température de stockage de l'hydrogène sous forme liquide à l'intérieur du réservoir 24 est d'environ -253°C sous 1 MPa. La conduite 26 d'alimentation en hydrogène liquide de la pile 18 à combustible débouche à l'intérieur de l'enveloppe interne 24b du réservoir. La conduite 26 traverse un échangeur de chaleur (non représenté) associé au réservoir 24 afin de réchauffer l'hydrogène avant son introduction à l'intérieur de la pile 18. Le réservoir 24 comprend encore une conduite 24d de remplissage débouchant à l'intérieur de l'enveloppe interne 24b pour le remplissage du réservoir en hydrogène liquide. Le système 10 comprend encore une bobine 34 supraconductrice pour récupérer et stocker l'énergie électrique générée par les machines 14, 16 lors du fonctionnement en générateur. La bobine 34 est disposée à l'intérieur du réservoir 24 cryogénique. La bobine 34 est entièrement logée à l'intérieur de l'enveloppe interne 24b du réservoir. La bobine 34 est fixée par tout moyen approprié à l'intérieur de l'enveloppe interne 24b. La bobine 34 à inductance supraconductrice est refroidie par immersion dans l'hydrogène stocké sous forme liquide. La bobine 34 est disposée à l'intérieur du réservoir 24 de sorte à être entièrement immergée dans l'hydrogène liquide dans un état rempli du réservoir. La bobine 34 est constituée par un enroulement de fil réalisé dans un matériau supraconducteur. Le matériau supraconducteur est choisi de sorte que sa température critique soit supérieure à la température de stockage de l'hydrogène sous forme liquide dans le réservoir 24. On entend par « température critique », la température en-dessus de laquelle le matériau devient supraconducteur. A titre d'exemple, il est possible de choisir un matériau supraconducteur présentant une température critique supérieure à -253°C sous 1 MPa pris dans la liste suivante : NbTi, Nb3Ge, MgB2, FeAs, YBaCuO, BiSrCaCuo. Il est cependant possible d'utiliser d'autres matériaux supraconducteurs que ceux indiqués. La bobine 34 est reliée électriquement aux machines 14, 16. La bobine 34 est couplée à une deuxième ligne électrique 36 du système qui est branchée à la première ligne électrique 32. La ligne électrique 36 s'étend en partie à l'intérieur du réservoir 24 pour être reliée à la bobine 34. Un convertisseur 38 du type DC/DC est prévu sur la ligne électrique 36 et est branché à la ligne électrique 32. La bobine 34 forme un dispositif de stockage de l'énergie électrique délivrée par les machines 14, 16 électriques. Lors d'un fonctionnement des machines 14, 16 en génératrice, celles-ci transmettent un couple de freinage aux roues 12a, 12b avant du véhicule et délivrent de l'énergie électrique sur la ligne électrique 32. Le courant électrique créé par les machines 14, 16 est envoyé dans la bobine 34 de fil supraconducteur. Une fois la bobine 34 court-circuitée, le courant électrique envoyé reste emprisonné dans l'enroulement de la bobine. L'énergie électrique créée par les machines 14, 16 est ainsi stockée directement dans la bobine 34. L'énergie est stockée sous la forme d'un champ magnétique généré par la circulation du courant électrique envoyé dans la bobine 34. L'énergie est donc stockée sous forme magnétique et électrique. Par la suite, lors d'un fonctionnement des machines 14, 16 en moteur, la bobine 34 peut être ouverte pour restituer de l'énergie électrique sur la ligne électrique 32 qui est absorbée par les machines 14, 16. Le système 10 comprend une unité de contrôle (non représentée) pour piloter le fonctionnement de la bobine 34. Le pilotage s'effectue selon trois modes, à savoir un mode de récupération de l'énergie créée par les machines 14, 16 dans lequel la bobine 34 est ouverte lors du fonctionnement des machines en génératrice, un mode de stockage d'énergie dans lequel la bobine est fermée et un mode de restitution de l'énergie dans lequel la bobine est ouverte lors du fonctionnement des machines en moteur. Dans l'exemple de réalisation décrit, le système de traction comprend une pile à combustible pour l'alimentation en énergie électrique des machines électriques. En variante, il est possible de prévoir d'autres types de moyens de génération d'énergie électrique, par exemple un moyen de génération pourvu d'un moteur à combustion interne, ou d'une turbine ou de tout autre machine, alimenté par l'hydrogène du réservoir cryogénique et d'un alternateur entrainé par ledit moteur, ou ladite turbine ou autre ladite autre machine, et alimentant en énergie électrique les machines électriques. Grâce à l'invention, on dispose d'un système de traction à motorisation électrique dans lequel la bobine supraconductrice permettant un stockage stationnaire d'énergie est logée à l'intérieur du réservoir de stockage d'hydrogène sous forme liquide. La bobine supraconductrice est refroidie en dessous de sa température critique à l'intérieur du réservoir de stockage par l'hydrogène prévu pour l'alimentation du moyen de génération d'énergie électrique. Ceci permet de ne pas prévoir de moyens de cryogénie dédiés spécifiquement au refroidissement de la bobine supraconductrice. REVENDICATIONS1. Système de traction pour véhicule comprenant au moins une machine électrique (12) apte à agir sur au moins un organe d'avancement du véhicule et apte à fonctionner en moteur ou en génératrice, au moins un moyen de génération (18) d'énergie électrique pour l'alimentation en énergie électrique de la machine électrique (12) lors d'un fonctionnement en moteur, des moyens d' alimentation (20) en hydrogène dudit moyen de génération comprenant un réservoir (24) cryogénique pour le stockage d'hydrogène sous forme liquide, et un dispositif de stockage de l'énergie électrique créée par la machine électrique (12) lors d'un fonctionnement en génératrice, caractérisé en ce que le dispositif de stockage comprend au moins une bobine (34) supraconductrice disposée à l'intérieur du réservoir (24) cryogénique. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la bobine (34) supraconductrice est disposée à l' intérieur du réservoir (24) cryogénique de sorte à être entièrement immergée dans l'hydrogène sous forme liquide dans un état rempli dudit réservoir. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le réservoir (24) cryogénique comprend une enveloppe externe (24a), une enveloppe interne (24b) pour le stockage de l'hydrogène sous forme liquide et à l'intérieur de laquelle est entièrement logée la bobine (34) supraconductrice, et un espace de super-isolation (24c) séparant lesdites enveloppes. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (24) cryogénique comprend un conduit de remplissage (24d) apte à être connecté à une source externe pour remplissage dudit réservoir. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la bobine (34) supraconductrice est réalisée dans un matériau supraconducteur présentant une température critique supérieure à une température de stockage de l'hydrogène sous forme liquide à l'intérieur du réservoir (24) cryogénique. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la bobine (34) supraconductrice est branchée sur une ligne électrique reliant le moyen de génération (18) d'énergie électrique et la machine électrique (12). 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une unité de contrôle du mode de fonctionnement de la bobine (34) supraconductrice apte à sélectionner un mode de récupération d'énergie, ou un mode de stockage d'énergie ou un mode de restitution d'énergie. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de génération (18) d'énergie électrique comprend au moins une pile à combustible. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins deux machines électriques (12, 14) aptes à agir chacune sur un organe d'avancement propre du véhicule. 10. Véhicule routier comprenant un système de traction selon l'une quelconque des revendications précédentes.