Brevet FR3140027A1 — publié le 20240329

L’invention concerne un véhicule automobile (V) comprenant un turbogénérateur (TG) qui comprend : - un démarreur/générateur électrique, - un turbocompresseur comprenant au moins une turbine et un compresseur, - une chambre de combustion, - un récupérateur qui est un échangeur de chaleur, et le turbogénérateur étant connecté à un réservoir de carburant (RC), caractérisé en ce que le turbogénérateur (TG) est intégré à un plancher d’un coffre arrière du véhicule (V). L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel véhicule (V). Figure 3 VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UN TURBOGENERATEUR INTEGRE A UN PLANCHER DE COFFRE ARRIERE, ET PROCEDE DE FABRICATION SUR LA BASE D’UN TEL VEHICULE L’invention se rapporte au domaine des dispositifs et systèmes de turbogénérateur du type à cycle de turbine à gaz, intégrés à un véhicule. L’invention concerne plus particulièrement le couplage de ce type de dispositif à l’électronique de puissance pour l’utiliser comme prolongateur d’autonomie pour des véhicules électriques. Les convertisseurs d’énergie de type turbine à gaz sont largement étudiés en ce moment comme prolongateur d’autonomie (« range extender » en langue anglaise) dans les véhicules hybrides de série. Ce convertisseur peut opérer en mode APU (pour Unité de Puissance Auxiliaire ou « Auxiliary Power Unit » en langue anglaise) où son rôle est de recharger la batterie de traction d’un véhicule. Il est ainsi mécaniquement découplé de la chaîne de traction et fonctionne sur son point de rendement maximal. Plusieurs cycles sont en cours d’investigation, y compris les cycles récupératifs simples (RGT pour turbine à gaz récupérative ou « Recuperative Gas Turbine »), mais aussi les cycles récupératifs à refroidisseur (IRGT) et les cycles avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe ou « Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise). Le cycle de turbine à gaz avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe (IRReGT) est un cycle à fort potentiel pour les applications automobiles. Ce cycle permet d’atteindre un rendement important mais aussi une densité de puissance élevée (travail net spécifique élevé). Le cycle RGT nécessite une chambre de combustion tandis que le cycle IRReGT nécessite deux chambres de combustion. L’intégration du turbogénérateur dans un véhicule électrique présente des challenges qui seront listés plus bas. Un objectif est de palier les défauts d'un véhicule électrique suivants : - difficultés d’approvisionnement et de fabrication de la batterie (pour les batteries de grande capacité) ; - autonomie faible (à cause de la densité énergétique de la batterie comparée à la densité énergétique d'un carburant) ; - masse du véhicule importante (surtout à cause de la masse de la batterie). Ainsi, l'hybridation d'un véhicule par un convertisseur d'énergie opérant avec un carburant à forte densité énergétique est une solution pour palier à ces problématiques. Cependant, l’intégration de la machine dans un véhicule électrique présentent les difficultés suivantes : - intégration mécanique : la partie avant est occupée par la machine électrique et son électronique de puissance, et la partie arrière, par le coffre où il faut garder un volume minimum ; la partie sous châssis est occupée par la batterie ; - intégration thermique : le convertisseur thermique nécessite d'évacuer des calories et présente des challenges (ajout d'échangeurs, etc…) ; - bruits / sonores : l'ajout d'une machine thermodynamique génère du bruit, qui ne sera pas apprécié par l’utilisateur d'un véhicule électrique ; - le turbogénérateur produit de l'énergie électrique qui devra être renvoyée vers la batterie. Ainsi, l’objectif de l’invention est de pallier les défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution d’optimisation de l’intégration d’un turbogénérateur dans un véhicule automobile, sur le plan mécanique, thermique, électrique, et vis-à-vis des bruits générés par le turbogénérateur. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un véhicule automobile dans un repère dans l’espace comprenant un axe avant-arrière suivant une direction de déplacement du véhicule automobile, un axe latéral perpendiculaire à l’axe avant-arrière, et un axe vertical perpendiculaire à l’axe avant-arrière et à l’axe latéral, le véhicule automobile comprenant un turbogénérateur qui comprend : - un démarreur/générateur électrique, - un turbocompresseur comprenant au moins une turbine et un compresseur, - une chambre de combustion, - un récupérateur qui est un échangeur de chaleur, et le turbogénérateur étant connecté à un réservoir de carburant, caractérisé en ce que le turbogénérateur est intégré à un plancher d’un coffre arrière du véhicule selon l’axe avant-arrière. En particulier, l’invention propose d’intégrer le turbogénérateur fonctionnant avec un carburant conventionnel de type essence par exemple, un bio-fuel ou un e-fuel sous le coffre à l’arrière. Les accessoires du turbogénérateur (onduleur, boîte de jonction, filtre à air, réservoir carburant et pompe carburant, etc…) peuvent être intégrés dans le pack batterie. L’invention permet de fournir de l’électricité pour recharger les batteries du véhicule électrique ; de produire de l’énergie thermique pour le besoin de chauffage. L’intégration du turbogénérateur en sous caisse permet ne pas pénaliser le volume de stockage dans le coffre. Selon une variante, le véhicule automobile comprend un cadre de montage recevant le turbogénérateur, configuré pour être fixé dans un trou formé dans le plancher. Cela permet d’avoir un montage solide et une bonne tenue mécanique du turbogénérateur dans le plancher de coffre arrière. Selon une variante, le véhicule automobile comporte une batterie de traction, et le démarreur/générateur électrique est connecté à la batterie de traction en mode unité de puissance auxiliaire de sorte à former un prolongateur d’autonomie. Cela permet de compléter l’autonomie par le générateur couplé à un réservoir de carburant. Selon une variante, le véhicule automobile comporte un habitacle, dans lequel le turbogénérateur engendre des émissions d’air chaud, le véhicule automobile comprenant un moyen réglable pour canaliser les émissions d’air chaud vers l’habitacle de sorte à réchauffer l’habitacle. Cela permet de réaliser l’optimisation thermique car le chauffage de l’habitacle ne diminue pas l’autonomie dans le cas d’un véhicule à moteur électrique. Selon une variante, le turbogénérateur est configuré pour fonctionner avec un carburant conventionnel, un biocarburant ou un carburant écologique. Cela permet de proposer un véhicule sensiblement éco-responsable. Selon une variante, le véhicule automobile comporte une ou la batterie de traction dans un pack batterie, dans lequel le turbogénérateur comprend un onduleur, une boîte de jonction, un filtre à air, ledit réservoir carburant et une pompe à carburant, disposés dans le pack batterie. Cela permet d’optimiser l’encombrement de ces accessoires, en remplaçant certains modules de batterie dans le pack batterie, de sorte à diminuer également le poids du véhicule. L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un véhicule automobile selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend l’étape suivante : intégrer le turbogénérateur à un plancher d’un coffre arrière du véhicule. Selon une variante, ladite étape comprend les sous-étapes suivantes : - former un trou dans le plancher ; - fixer le turbogénérateur au cadre de montage ; - fixer le cadre de montage équipé du turbogénérateur au plancher. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement une vue dans l’espace d’un plancher de coffre de véhicule automobile découpé pour recevoir un turbogénérateur convenant à l’invention ; - illustre schématiquement une vue dans l’espace d’un cadre recevant le turbogénérateur, permettant de le fixer dans le plancher de véhicule de la ; - illustre schématiquement une vue dans l’espace du cadre et du turbogénérateur de la , fixés ensemble dans le plancher de véhicule ; - illustre schématiquement une vue éclatée du turbogénérateur des figures précédentes, montrant en outre un couvercle du turbogénérateur ; - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz récupérative (RGT pour « Recuperative gas turbine » en langue anglaise) ; - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz récupérative avec compression refroidie (IRGT – pour « Intercooled Recuperative Gas Turbine » en langue anglaise) - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (RReGT – pour « Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) ; et - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise). La technologie du turbogénérateur TG est très prometteuse pour remplacer le moteur thermique à combustion interne dans les chaînes de traction fortement électrifiées, notamment pour les véhicules PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) à architecture hybride de série (Series Hybrid Electric Vehicules). La technologie promet les avantages suivants : - faible niveau d'émissions ; - faible niveau de bruit ; - pas de vibrations ; - pas de maintenance (à l’exception de changements de filtres à huile) ; - capacité à fonctionner avec plusieurs types de carburants. La illustre un repère dans les trois axes de l’espace, c’est-à-dire : - une direction avant-arrière X correspondant à une direction avant-arrière rectiligne de circulation du véhicule automobile V, la flèche représentant l’avant ; - une direction latérale Y perpendiculaire à la direction avant-arrière X, la flèche représentant la droite ; - une direction verticale Z perpendiculaire aux directions latérales et avant-arrière, la flèche représentant le haut. L’invention propose d'intégrer un turbogénérateur TG à l’arrière sous le coffre pour avoir un prolongateur d’autonomie pour les véhicules électriques à faible autonomie. L’invention cherche à résoudre plusieurs problèmes en proposant une solution turbogénérateur TG comme générateur de puissance et prolongateur d’autonomie. A cet effet, l’invention propose de réduire la taille des batteries ce qui permet de réduire : - les difficultés d’approvisionnements du véhicule ; - la masse du véhicule ; - la consommation électrique (réduire la masse permet de réduire le besoin énergétique) avec en outre le fait que l'énergie thermique sera assurée par le turbogénérateur TG via les rejets thermiques et non pas par la consommation électrique ; - l'impact environnemental (lié à la production des batteries). L’invention permet d’augmenter l'autonomie du véhicule via une solution non-intrusive. On offre de l'énergie thermique, pour chauffer l'habitacle, durant l'hiver où c'est un besoin énergétique non négligeable et qui limite l'autonomie des véhicules électriques en hiver. Le volume occupé par les batteries et la machine électrique est relativement élevé. Avec la solution proposée dans l’invention, on ne pénalise pas le volume habitacle, et pas substantiellement le volume du coffre. L’invention propose l'utilisation d'un convertisseur d'énergie fonctionnant avec un carburant à forte densité énergétique, donc une autonomie supplémentaire. Le système proposé fournit de l'énergie électrique pour recharger les batteries. Le système peut fournir également de l'énergie thermique pour chauffer l'habitacle en de cas de besoin. Des connectiques spécifiques (mécaniques pour le couplage, thermiques pour l'énergie thermique et électrique type boîte de jonction pour fournir l'énergie électrique) feront l'interface entre la machine (turbogénerateur TG) et le véhicule. L'intégration du système nécessite de concevoir : - une pièce d'adaptation (cadre de montage CM visible en ) pour recevoir la machine sous le coffre : l'objectif est de fixer le turbogénérateur TG sous le plancher P à l'arrière du véhicule V ; - un système de couplage électrique, nommé boîte de jonction, pour renvoyer l'électricité à la batterie ; - un circuit de refroidissement de la machine : prise de l'air de l'intérieur et injecter l'air sur les parties chaudes de la machine ; - un circuit de refroidissement additionnel : avec une prise de l'air sous la caisse et un souffleur BL d'air sur les parties chaudes -visible en ) ; - un retrait d’une partie des batteries situées dans le pack batterie arrière et intégration des composants accessoires (réservoir carburant RC, onduleur électrique O, électronique de puissance EP). Par ailleurs, retirer une partie des batteries (par exemple le pack arrière) résulte en une diminution de la masse et surtout de l'impact environnemental (matériaux spécifiques pour les batteries). L'objectif est d'intégrer le turbogénérateur TG sous le coffre du véhicule. On va présenter ci-après les différentes conceptions / travaux réalisés pour réussir cette intégration et notamment : - la modification de la structure ; - l’intégration du turbogénérateur TG ; - l’alimentation en air ; - les équipements en sous caisse ; - l’habitacle ; - les boitiers électriques et le support. La représente une version du turbogénérateur TG, ici en machine simple étage, avec l'ensemble des accessoires autour. Pour pouvoir intégrer le turbogénérateur TG sous le coffre, une modification de la structure a été réalisée. Cela consiste en une coupe du plancher P du coffre. Cela est nécessaire pour créer une structure permettant au turbogénérateur TG de s’y intégrer via le dessous de la caisse. Pour intégrer le turbogénérateur TG, un cadre de montage CM, de préférence métallique (structure) a été développé. Cette structure permet à la machine de s'intégrer par le dessous et de se fixer sur le coffre. Le cadre CM comprend des points de fixations F1 sur lesquels le turbogénérateur TG vient se fixer. De même, il contient des points de fixation F2 pour se coupler au coffre du véhicule V. Le turbogénérateur TG nécessite un système d'alimentation en air, comprenant principalement un filtre à air FA. Cette pièce peut être intégrée dans le coffre du véhicule V, ou être mise à différent endroits (comme en sous caisse dans le pack batterie à la place des modules de batterie). Une coque CQ a été développée pour protéger le système et pour atténuer le niveau de bruit (notamment le bruit de bouche, un bruit généré par le débit d'air passant à travers le filtre à air). Pour refroidir la partie sous caisse, notamment après un arrêt quand le turbogénérateur TG est fonctionnel, un système de refroidissement sous caisse composé d'un rang de ventilateurs V1 a été prévu. Dans ce système, les 3 ventilateurs V1, absorbent l'air sous caisse (l'air à température ambiante) et souffle l'air vers le turbogénérateur TG. Ces ventilateurs sont activés en fonction du niveau de température sous caisse, de préférence par commande en modulation de largeur d’impulsion (encore appelé PWM pour « Pulse Width Modulation » en langue anglaise). Un thermocouple placé sous caisse mesure la température et une activation des ventilateurs V1 modulée en vitesse est faite. Ces ventilateurs V1 sont activés durant un temps où le système verra une chute de température (refroidissement). Ainsi, les seuils d'activation et d'arrêt ainsi que les vitesses de ventilateur, sont fonction de la température mesurée par le thermocouple. Au niveau de l'habitacle, un souffleur BL a été ajouté. Celui-ci a pour objectif de prendre l'air de l’habitacle et de le souffler sous caisse, assurant un refroidissement additionnel des composants. Le débit d'air généré est contrôlé en fonction du niveau de température sous caisse et commandé en modulation de largeur d’impulsion. La proposition d’intégrer le turbogénérateur dans le véhicule est compatible avec toutes les architectures thermodynamiques de turbocompresseurs. Ci-dessous une liste non exhaustives de ces architectures : - architecture de turbine à gaz récupérative (RGT pour « Recuperative gas turbine » en langue anglaise) illustrée en ; - architecture de turbine à gaz récupérative avec compression refroidie (IRGT – pour « Intercooled Recuperative Gas Turbine » en langue anglaise) illustrée en ; - architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (RReGT – pour « Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) illustrée en ; - architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) illustrée en . Dans ces figures, les références sont incrémentées d’une unité pour des dispositifs supplémentaires de même type. La référence IC concerne un refroidisseur. Véhicule automobile (V) dans un repère dans l’espace comprenant un axe avant-arrière (X) suivant une direction de déplacement du véhicule automobile (V), un axe latéral (Y) perpendiculaire à l’axe avant-arrière (X), et un axe vertical (Z) perpendiculaire à l’axe avant-arrière (X) et à l’axe latéral (Y), le véhicule automobile (V) comprenant un turbogénérateur (TG) qui comprend : - un démarreur/générateur électrique, - un turbocompresseur comprenant au moins une turbine (T1) et un compresseur (C1), - une chambre de combustion (CC1), - un récupérateur (R1) qui est un échangeur de chaleur, et le turbogénérateur (TG) étant connecté à un réservoir de carburant, caractérisé en ce que le turbogénérateur (TG) est intégré à un plancher (P) d’un coffre arrière du véhicule (V) selon l’axe avant-arrière (X). Véhicule automobile (V) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend un cadre de montage (CM) recevant le turbogénérateur (TG), configuré pour être fixé dans un trou (T) formé dans le plancher (P). Véhicule automobile (V) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, comportant une batterie de traction, caractérisé en ce que le démarreur/générateur électrique est connecté à la batterie de traction en mode unité de puissance auxiliaire de sorte à former un prolongateur d’autonomie. Véhicule automobile (V) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant un habitacle, dans lequel le turbogénérateur (TG) engendre des émissions d’air chaud, caractérisé en ce que le véhicule automobile (V) comprend un moyen réglable pour canaliser les émissions d’air chaud vers l’habitacle de sorte à réchauffer l’habitacle. Véhicule automobile (V) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le turbogénérateur (TG) est configuré pour fonctionner avec un carburant conventionnel, un biocarburant ou un carburant écologique. Véhicule automobile (V) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comportant une ou la batterie de traction dans un pack batterie, dans lequel le turbogénérateur (TG) comprend un onduleur (O), une boîte de jonction, un filtre à air (FA), ledit réservoir carburant (RC) et une pompe à carburant, disposés dans le pack batterie. Procédé de fabrication d’un véhicule automobile (V) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend l’étape suivante : intégrer le turbogénérateur (TG) à un plancher (P) d’un coffre arrière du véhicule (V). Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite étape comprend les sous-étapes suivantes : - former un trou (T) dans le plancher (P) ; - fixer le turbogénérateur (TG) au cadre de montage (CM) ; - fixer le cadre de montage (CM) équipé du turbogénérateur (TG) au plancher (P).