Brevet FR3059834A1 — publié le 20180608

SYSTEME DE BATTERIE AMOVIBLE POUR VEHICULES ELECTRIQUES ET HYBRIDES AINSI QUE LES UNITES AMOVIBLES DE STOCKAGE D'ENERGIES ET CASIERS DE RACCORDEMENT DE CES UNITES AMOVIBLES AU VEHICULE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un système de batterie amovible pour véhicules électriques et hybrides ainsi que les unités amovibles de stockages d'énergies et les casiers de raccordement de ces unités au reste du véhicule. ETAT DE LA TECHNIQUE Il est prévisible que tant dans les applications stationnaires que les applications mobiles (véhicules électriques, véhicules hybrides et véhicules hybrides rechargeables sur bornes,...), le niveau d'exigence du consommateur en matière de performance en termes de durée de charge et recharge du véhicule sera de plus en plus élevé. Cela nécessitera d'une part le développement de batteries extrêmement performantes et d'autre part, le déploiement de techniques et procédés de mise à disposition rapide d'énergie dans les batteries de véhicule. Un système de batterie comporte un ensemble d'éléments de batterie. Ces éléments de batterie peuvent être branchés en série, pour avoir en sortie une tension électrique plus élevé ou en parallèle pour augmenter le courant électrique maximum et la capacité. Ainsi, les éléments de batterie peuvent être regroupés en modules de batterie ou unités de batterie. Pour réaliser des systèmes de batteries, on utilise des structures relativement complexes. Cette complexité de la structure se répartit sur plusieurs niveaux. En l'état actuel des connaissances et des pratiques, les batteries de véhicules sont constituées d'unités fixes de stockage d'énergie raccordées entre elles. Ces unités sont assemblées en blocs fixes constituants la batterie. La batterie ainsi constituée est fixée au véhicule et constitue un tout indivisible. L'état actuel de l'art veut que la batterie soit considérée comme un tout rigide et indivisible. Cela implique un non remplacement des unités usagées et un très grand système dont la manipulation en cas de besoin se révèle complexe et nécessite la mise en oeuvre de systèmes et de dispositifs spécifique et onéreux. Plusieurs dispositifs de manipulation de cet ensemble constituant la batterie ont été développés par des constructeurs avec toujours la même constante, à savoir un dispositif spécialisé et onéreux. De part sa conception et son approche, l'invention objet du présent brevet veut s'affranchir des contraintes de coût et de complexité inhérentes au domaine de 1' invention. 3059834 2 BUT DE L'INVENTION Cette invention a pour but de réduire considérablement le temps de mise à disposition d'énergie dans les véhicules électriques, Ce faisant, cela contribuera à son attractivité, et donc, à la 5 généralisation de son usage. Dans une large mesure, cette invention contribuera également au développement des stations service fournissant de l'énergie électrique en libre service ou non. Outre les augmentations de performances des batteries, l'obstacle majeur à la démocratisation des véhicules électriques reste la difficulté de charge rapide. Nous envisageons donc de mettre en place un dispositif qui permet d'intégrer directement à la carrosserie du véhicule, des systèmes 10 permettant d'accueillir des blocs de batteries amovibles de véhicule électrique. La mise en place de ce dispositif permettra en cas de besoin, d'enlever les unités de batteries usagées et de connecter de nouvelles unités en un temps record. En effet, le fait de compartimenter la batterie en un ensemble d'unités autonomes amovibles de stockage d'énergie (UAASE) de faibles poids et dimensions permet en cas de besoin de faire des 15 compléments d'énergie sans avoir à recharger le système. Cela permet, à l'instar de qui se fait pour les roues de véhicule, d'avoir en cas de besoin, des unités (UAASE) de recharge en secours dans la malle arrière. Ces unités présentent l'avantage de ne pas être inflammable et/ou explosif. Cela permet surtout d'accéder à de l'énergie en un temps record quand on en a besoin. Ceci au travers du déploiement sur le territoire de stations services pour énergie électrique. Seront 20 disponibles dans ces stations services, les unités (UAASE) chargées. Il sera donc question pour l'usager de changer ces unités en cas de besoin. Le choix sera également laissé à l'usager qui le désire de recharger ces unités en bornes de recharge en libre accès. EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION 25 A cet effet, l'invention permet la mise en place d'un dispositif de batterie amovible pour véhicules électriques et hybrides. L'invention a pour objet, un système de casiers amovibles susceptibles d'accueillir des unités autonomes de stockages d'énergie (UAASE). Le tout constituant une batterie amovible de 30 véhicules. Le dispositif et le procédé selon l'invention, ont l'avantage de réduire considérablement les délais de charge de «batterie de véhicule». Ce faisant, de rendre les délais de mise à disposition de l'énergie comparables dans les véhicules électriques et les véhicules à combustibles fossiles. L'idée au travers de cette innovation est de rendre le véhicule électrique attractif et d'en vulgariser l'usage. En outre, il sera question ici de participer au travers de cette 3059834 3 invention à la réduction des coûts de fabrication et d'acquisition des véhicules électriques et hybrides. En effet, les batteries électriques constituent une part prépondérante du coût d'acquisition des véhicules électriques. Dans le cadre de notre invention, deux choses pourraient être développées. 5 Pour les nouvelles conceptions et fabrications de véhicules, il sera question d'intégrer le concept de batterie amovible dès la fabrication du véhicule. Ainsi, les nouveaux véhicules disposeront de ce système dès la phase de montage en usine, Les différents éléments de contrôle des états de charge et les commandes de manoeuvre figureront sur le tableau de bord du véhicule. Il en sera de même des informations de sécurité (usure, réchauffement,..). 10 Pour les véhicules existants sur le marché, le procédé est susceptible d'être intégré. En effet, il sera question de remplacer les batteries par un bloc amovible avec les mêmes dimensions à fixer directement à la place. Les commandes ne pourront toutefois qu'être manuelles pour les véhicules existants déjà sur le marché. 15 20 25 30 3059834 4 DESCRIPTION DE MODE DE REALISATION DE L'INVENTION La principale révolution technique porte sur le système de batterie (9) décomposé en unité autonome amovibles de stockage d'énergie et casiers d'accueil de ces unités. Concrètement, le 5 bloc de batterie (fig.l) est constitué d'un système fixe mobile de casiers (fig.2) et d'unité autonomes de stockage d'énergie amovibles (fig.3). Le bloc de casier est relié au reste du véhicule par des liens de fixation et des connections électriques et d'usages. Le bloc de casiers aura l'avantage d'être étanche, de pouvoir descendre et remonter en cas de besoin et aura une porte d'ouverture. La manipulation du bloc étanche de batterie se fera grâce à un système 10 automatisé avec des commandes sur le tableau de bord. Un second système manuel de manipulation du bloc de batterie sera disponible. Le système manuel sera constitué d'un ensemble de poulies, câbles, engrenages et roues. Le système automatique nécessitant un minimum d'énergie, le système manuel prendra le relai en cas d'absence totale d'énergie (batterie à plat). 15 Dans les véhicules actuels du marché, il sera envisagé de fixer essentiellement le système manuel. Toutefois, dans les nouvelles générations, le dispositif sera automatisé et manuel. Un seuil de fond d'énergie qui ne peut être consommé que par le dispositif est réservé. Dès que ce seuil sera atteint en fonctionnement, le véhicule sera bloqué et ne fonctionnera plus. Ce seuil constituera une réserve de fonctionnement stratégique du véhicule. 20 1. La batterie La batterie est constituée d'unités autonomes amovibles de stockage d'énergie (fig.3). Les unités autonomes sont montées en série. Les unités de stockage d'énergie amovibles sont réparties le long du véhicule. L'accès et la gestion de ces unités se faisant du coté conducteur du véhicule. 25 La commande d'ouverture et de fermeture des blocs se fera directement au niveau du conducteur. Une seconde commande manuelle sera fixée au véhicule. Les unités amovibles fonctionneront comme une batterie individuelle. Cela aura le double avantage de permettre, soit de les charger en borne, ou de les remplacer dans une station service dédiée, 30 1.1 L'unité amovible de stockage d'énergie Cette unité (fig.3) est constituée d'une enveloppe rigide contenant des piles Lithium-ion. Chaque unité est autonome énergétiquement, possède des électrodes positive et négative en métal. Chaque unité est constituée d'un montage en série de modules de piles lithium-ion montées en parallèle. Chaque module est constitué de piles montées en parallèle avec une plaque de contact 3059834 5 au dessus et une plaque de contact en dessous. Les plaques de contact assureront la conduction du courant et seront en matériaux cuivre ou aluminium. Chaque module délivrera idéalement une capacité nominale de 247,90Ah. Les piles lithium-ion montées en série sont regroupées dans un bloc. Le bloc est doté de deux 5 bornes positive et négative (les électrodes) et constitue l'unité amovible autonome de stockage d'énergie. Chaque unité constituée de modules de piles pourra être enlevée et rechargée indépendamment. L'épuisement de L'unité amovible de stockage d'énergie figurera sur le tableau de bord et permettra au conducteur de savoir qu'elles unités sont défaillantes. Le sens de connexion de l'unité amovible autonome de stockage d'énergie est indiqué sur celui-10 ci. Cela permet son introduction dans le système de casier calibré à cet effet. Le faible poids de ces unités en favorise une manipulation aisée. 1.2 Le Système de montée et descente du bloc de batterie mobile Le système est semblable à celui développé pour les ascenseurs. Il est constitué d'un ensemble de 15 câbles de manipulation, de poulies et de systèmes d'engrenage. Les orifices de passage des câbles se trouvent dans l'enveloppe du système de casier. Les câbles restent sur un coté, encastrés au plancher du véhicule. Les câbles s'enroulent et se déroulent du coté opposé. 1.3 Le système de casiers d'accueil des unités amovibles de stockage d'énergie 20 Il est ici question d'un dispositif mobil en montée et descente dont la fonction est d'accueillir des unités autonomes amovibles de stockage d'énergie (UAASE). Ce dispositif est manoeuvrable grâce à un système de câbles et de poulies tels que développé en 1.2. Le système de casier est doté sur sa face externe supérieure de deux électrodes (bornes) positive et négative. Ces électrodes sont raccordables au véhicule grâce à un système de deux orifices de connexion 25 directement installé sur la carrosserie du véhicule. Ces orifices assurent la connexion électrique et électronique du système de casiers au reste du véhicule. Concrètement, lors de sa montée dans le véhicule, le système de casier est automatiquement placé dans son emplacement d'accueil. Cet emplacement est doté de deux orifices de connexion. Dans ces orifices pénètrent les électrodes, au fur et à mesure de la montée du bloc de casiers mobil dans 30 son emplacement réservé. 1.3.1 L'enveloppe de la structure L'enveloppe de la structure est constituée d'un bloc rigide étanche en matériau plastique. Cette enveloppe est dotée dans sa structure d'un ensemble de réseaux électriques et de systèmes dédié à 3059834 6 la montée et la descente du dispositif. L'enveloppe de la structure possède sur sa face supérieure, deux électrodes auxquelles sont raccordés directement les orifices de connexion du système de casiers. L'objectif ici est que l'énergie collectée auprès des UAASE soit disponible au niveau des électrodes de l'enveloppe via 5 les orifices de connexion se trouvant dans chaque casier. 1.3.2 La charnière de la porte Le dispositif (5) permet de lier le système de casiers à la porte de fermeture (4). Le dispositif en longueur permet la manipulation de la porte et son articulation en position ouverte et fermée. Le 10 dispositif est doté d'un ensemble d'orifices avec des gaines dédiées au passage de câbles électriques. Cela permet de collecter des informations au niveau des capteurs se trouvant dans les orifices de casiers et de les rendre disponibles au niveau de l'écran se trouvant sur la porte. Ces informations seront du même type que celles mises à disposition au niveau du tableau de bord du véhicule. Il sera notamment question d'informer sur l'état de charge des différentes UAASE et 15 sur les hausses de température dans les casiers. 1.3.3 La porte La porte (4) permet de fermer et étanchéifier le système. Il permet l'accès au système de casier lors de l'introduction et/ou le retrait des UAASE. La porte est dotée d'un écran sur lequel sont 20 diffusés des informations relatives à l'état énergétique des unités (UAASE) ainsi que celles relatives à l'état aux températures disponibles au niveau des orifices de réception des électrodes des UAASE dans les casiers. Ces informations sont transmises vers l'écran de la porte. Les informations sont collectées grâce aux capteurs dans les orifices des casiers d'UAASE. Les informations sont transmises par l'intermédiaire d'un réseau électronique traversant la structure 25 de la porte. Outre ces éléments, la porte est dotée sur sa face interne des commandes d'éjection des différents UAASE se trouvant dans les casiers. 1.3.4 Les Orifices de passage du système de fermeture de la porte 30 Il est question d'orifices traversant la porte, et au travers desquels passent les éléments 2 et 3 (les systèmes de fermeture de porte). Une fois la porte (4) remontée, le verrou du système de fermeture (2) de la porte des casiers est tourné et donc activé. 3059834 7 1.3.5 Le système de fermeture de la porte Il est constitué d'une structure rigide (3) et d'un système de verrou (2). Ce système sert à fermer la porte et la rendre étanche. 5 1.3.6 Le système de rails Les rails de fixation de l'unité autonome amovible de stockage d'énergie (6) servent de support pour leur accueil. Il est question d'un dispositif qui sert d'une part lors de l'introduction des UAASE dans les casiers. D'autre part, ils permettent de maintenir les UAASE dans les casiers et de les bloquer. 10 1.3.7 Le système de blocage de l'unité autonome amovible de stockage d'énergie Ce système (7) est doté d'une double commande mécanique et électronique. Le système sert à maintenir et fixer l'UAASE dans les casiers. Concrètement, il s'agit d'un système de type plot qui est enclenché par la forte pression qui est exercée sur le ressort se trouvant dans les orifices 15 d'accueil des électrodes de l'UAASE. 1.3.8 Les orifices de connexion de l'unité autonome amovible de stockage d'énergie Les orifices (8) sont calibrés pour accueillir les électrodes des UAASE. Les orifices de connexion sont dotés d'un ressort et de deux capteurs. 20 1.3.9 Les capteurs Dans les orifices de connexion (8) des UAASE au système de casier se trouvent des capteurs. Ces capteurs sont de deux types. Une première catégorie est constituée de capteur de température. Une deuxième catégorie est constituée de capteur d'état de charge. Ces éléments renseignent en 25 temps réel sur la situation des UAASE et leurs capacités ou non à assurer leurs fonctions. Les informations collectées par ces capteurs sont diffusées sur le tableau de bord ainsi que sur l'écran de trouvant sur la porte des casiers. 1.3.10 Le système de ressort 30 Au fond de chaque orifice d'accueil des électrodes de l'UAASE (8) se trouve un ressort. D'une part, il assure la connexion électrique et électronique de l'UAASE au système de casier. D'autre part, il sert d'outil d'éjection de l'UAASE de son casier d'accueil. La commande de détente de ce ressort est manuelle et électronique. 3059834 8 1.3.11 Le système de connexion de l'unité autonome amovible de stockage d'énergie aux casiers Cette fonction est assurée par la présence d'un ressort ainsi que des capteurs se trouvant dans les orifices de fixation des UAASE. 5 2. Principe de raccordement de la batterie Les unités de stockage sont dimensionnées pour entrer dans les casiers. Le sens d'introduction des unités dans le casier est indiqué sur chacun d'eux. Les connectiques se trouvent sur l'unité de stockage et seront directement connectés à son orifice de réception dès qu'il arrivera au fond du casier. Un système de ressort se trouve au fond de chaque orifice et assure à la fois la connexion 10 électrique de l'unité de stockage au véhicule, et d'outil d'éjection de cet unité dans le cas ou la commande correspondante est enclenchée. Dès que la connexion électrique entre l'unité de stockage et le bloc de casiers est établit, les systèmes de maintient sont mécaniquement enclenchés. Le système de maintient est secondé par un système de porte étanche qui assurera la sécurité et l'étanchéité du dispositif. 15 Les orifices de connexion sont dotés de capteurs de température. Le but est d'informer sur d'éventuelles augmentations de températures de la batterie. 20 25 30 3059834 9 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX DES DESSINS 1- Orifice de passage du système de fermeture de la porte 5 2- Verrou du système de fermeture de la porte 3- Structure rigide du système de fermeture de la porte 4- Porte étanche de fermeture des casiers pour unités autonomes et amovibles de 10 stockage d'énergie 5- Charnière de la porte en longueur 6- Rail de fixation de l'unité amovible de stockage d'énergie 15 7- Système de blocage et maintient de l'unité amovible de stockage d'énergie 8- Orifice avec ressort et capteur de température et d'état de charge 20 9- Bloc de batterie 25 30 REVENDICATIONS1.) Dispositif de batterie amovible pour véhicules électriques et hybrides, caractérisé en ce qu'il comprend des unités amovibles de stockages d'énergies venant intégrer des casiers d'accueil et de raccordement de ces unités au reste du véhicule, le dispositif fonctionnant grâce à une double commande manuelle et électronique permettant sa montée et sa descente ainsi que le blocage de l'unité autonome amovible de stockage d'énergie. 2.) Dispositif de batterie amovible pour véhicules électriques et hybrides selon la revendication 1, caractérisé en ce que les casiers d'accueil et de raccordement des unités amovibles de stockage d'énergie sont dotés de rails (6) d'introduction, de fixation et de retrait des unités autonomes amovibles de stockage d'énergie ainsi que d'un système de blocage de l'unité autonome amovible de stockage d'énergie dans les casiers (7). 3.) Dispositif de batterie amovible pour véhicules électriques et hybrides selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que les casiers sont dotés d'orifices de connexion (8) des unités autonomes amovibles de stockage d'énergie, au sein desquelles se trouvent des capteurs de température, capteurs d'état de charge, ainsi qu'un système de ressort qui assure la connexion électrique puis l'éjection de l'unité autonome de stockage d'énergie dès que la commande 20 correspondante est activée. 4.) Dispositif de batterie amovible pour véhicules électriques et hybrides selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par une enveloppe de structure possédant sur sa face supérieure, deux électrodes auxquelles sont raccordés directement les orifices de connexion 25 du système de casiers (8), un dispositif de charnière de porte (5) doté d'un ensemble d'orifices avec des gaines dédiées au passage de câbles électriques, une porte dotée d'un écran (4) sur laquelle sont diffusés des informations relatives à l'état énergétique des unités amovibles autonomes de stockage d'énergie ainsi que celles relatives à l'état de charge et aux températures disponibles au niveau des orifices (8) de réception des électrodes des unités amovibles autonomes 30 de stockage d'énergie dans les casiers, et dont l'objectif est de permettre l'accès au système de casier lors de l'introduction et/ou le retrait des unités amovibles autonomes de stockage d'énergie, laquelle porte est dotée sur sa face interne des commandes d'éjection des différentes unités amovibles autonomes de stockage d'énergie se trouvant dans les casiers, ainsi que de deux orifices de passage pour son système de fermeture (1).