EP4677666A1 - Système d'alimentation d'un moteur électrique de véhicule hybride électrique utilisant une pile à combustible à hydrogène - Google Patents

Système d'alimentation d'un moteur électrique de véhicule hybride électrique utilisant une pile à combustible à hydrogène

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Publication number
EP4677666A1
EP4677666A1 EP24707797.7A EP24707797A EP4677666A1 EP 4677666 A1 EP4677666 A1 EP 4677666A1 EP 24707797 A EP24707797 A EP 24707797A EP 4677666 A1 EP4677666 A1 EP 4677666A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
induction coil
power supply
electric motor
supply system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24707797.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
David Gerard
Laurent Levin
Serge Loudot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ampere SAS filed Critical Ampere SAS
Publication of EP4677666A1 publication Critical patent/EP4677666A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
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    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the fields of electrical engineering and hybrid electric vehicles using a hydrogen fuel cell as a range extender. More specifically, the invention relates to a system for powering at least one electric traction or propulsion motor of a hybrid electric vehicle, which may be a motor vehicle or any other type of vehicle.
  • a hydrogen fuel cell as a range extender, in a vehicle comprising at least one electric traction motor, which can be powered by the hydrogen fuel cell and/or by a traction battery, makes it possible to diversify the energy sources of the vehicle, and to have a reduced traction battery size compared to the size of a traction battery of a purely electric vehicle with the same range.
  • FIG.l illustrates a power supply system 1 of a hybrid electric vehicle using a hydrogen fuel cell 26 as a range extender, in the prior art.
  • the hydrogen fuel cell 26 is supplied by a hydrogen tank 16 maintaining hydrogen gas at room temperature and at a pressure of 700 bars.
  • a hydrogen tank 16 maintaining hydrogen gas at room temperature and at a pressure of 700 bars.
  • hydrogen is used to actually designate dihydrogen.
  • the hydrogen tank 16 comprises a cap 14 allowing the tank to be filled. This filling is carried out from a filling hatch 12, provided in the vehicle and connected to the cap 14 of the hydrogen tank 16 by a pipe shown in double lines.
  • the hydrogen in the hydrogen tank 16 circulates in a hydrogen circuit 18, also shown in double lines. In this hydrogen circuit 18, the gaseous hydrogen leaves the cap 14 of the hydrogen tank 16, and arrives at a pressure reducer 20 which reduces the pressure of the hydrogen before it enters the hydrogen cell 26.
  • the hydrogen cell 26 comprises an anode and a cathode and produces an electrical potential difference between its anode and its cathode by oxidation between, on the one hand, the oxygen present in the air supplied to the hydrogen cell 26 by an air circuit 38 described below, and, on the other hand, the hydrogen coming from the hydrogen circuit 18.
  • the hydrogen cell 26 is sized so that this potential difference corresponds to an electrical voltage at the output of the hydrogen cell 26 of the order of 200 or 300V (Volts).
  • the hydrogen not consumed by the hydrogen cell 26 can be released by a back-pressure valve 24 or re-sent into the hydrogen circuit 18 by a recirculation pump 22.
  • the air supplied to the hydrogen fuel cell 26 comes from an air inlet 30 on the vehicle, connected to the air circuit 38.
  • the air coming from this air inlet 30 is filtered by an air filter 32, then pressurized by a compressor 34, then is cooled in a cooling member 36 before being sent to a humidifier 40 where the air is humidified before entering the hydrogen fuel cell 26.
  • a humidifier 40 where the air is humidified before entering the hydrogen fuel cell 26.
  • water, the product of the reaction in the hydrogen fuel cell 26 is sent to the humidifier 40, the water produced being partly used to humidify the air entering the hydrogen fuel cell 26, and partly condensed in a water tank of the humidifier 40.
  • a valve 42 makes it possible to evacuate the air and the non-condensed water in the humidifier at the outlet of the hydrogen fuel cell 26. hydrogen 26 to an exhaust device 44 of the vehicle.
  • the oxidation reaction that occurs in the hydrogen fuel cell 26 during its operation generates calories that are evacuated by a cooling circuit 58 in which a heat transfer fluid such as glycolated water circulates.
  • the cooling circuit 58 passes the heat transfer fluid into the hydrogen fuel cell 26 where it takes in calories that it evacuates by passing through a heat exchanger 52, for example a radiator at the front of the vehicle.
  • the heat transfer fluid thus cooled then passes through a three-way valve 54 bringing it to a pump 56 which returns it to the hydrogen fuel cell 26.
  • a bypass between the inlet of the heat exchanger 52 and an inlet of the three-way valve 54 makes it possible to pass a portion of the heat transfer fluid into a deionizer 50 before returning it to the pump 56.
  • the deionizer 50 makes it possible to reduce the electrical conductivity of the heat transfer fluid, so that it does not generate a leakage current between the hydrogen fuel cell 26 and the chassis via the exchanger 52 which could be interpreted as an insulation fault in the high-voltage circuit of which the fuel cell is a part.
  • the hydrogen fuel cell 26 comprises electrical outputs, in particular a positive electrical connection 70 and a negative electrical connection 72 between which the voltage is equal to the output voltage of the hydrogen fuel cell 26.
  • the positive 70 and negative 72 electrical connections are connected to the input of a voltage booster 74, which converts the output voltage of the hydrogen fuel cell 26, of the order of 200 to 300 V, into a voltage equal to a voltage of a high-voltage network of the vehicle, for example 400 V or 800 V.
  • This voltage of the high-voltage network of the vehicle is present in particular at the level of an “electrical node” 78, that is to say between connection terminals to which several high-voltage modules of the vehicle are attached, in particular a traction battery 76 of the vehicle, a charger 84 making it possible to recharge the traction battery 76 from a charging socket 86 of the vehicle, and an inverter 80 capable of supplying three-phase current to an electric motor 82 of the vehicle.
  • the traction battery is understood as a battery powering the inverter and the electric motor when the vehicle is running, unlike a service battery of the vehicle powering a low-voltage electrical network of the vehicle (for example 14V) to which various consumers are connected, including a main computer of the vehicle.
  • the traction battery can therefore also be understood as a propulsion battery depending on the electric motor used.
  • the battery referred to in this application is the traction battery of the vehicle.
  • the motor and the inverter in this patent application refer to an electric traction or propulsion motor and to a traction or propulsion inverter of the vehicle, in the absence of any indication to the contrary.
  • the electric motor 82 of the vehicle uses for example only the traction battery 76 as an energy source during short journey times, and uses both the hydrogen fuel cell 26 and the traction battery 76 as energy sources for long journeys.
  • the two energy sources namely the hydrogen fuel cell 26 and the traction battery 76, can operate independently and be used independently by the vehicle.
  • the hydrogen fuel cell 26 can be used to recharge the traction battery 76.
  • a computer 90 of the vehicle makes it possible to operate the power supply system 1 using one or the other of the energy sources for the advancement of the vehicle, and makes it possible to manage a recharge of the traction battery 76 by the charger 84 or by the hydrogen fuel cell 26.
  • This power supply system 1 of the prior art therefore has numerous advantages, in particular a low energy recharge cost thanks to the electrical recharge of the traction battery 76, and a short recharge time thanks to the rapid hydrogen recharge of the hydrogen tank 16.
  • the electrical conversion efficiency of the voltage booster 74 which controls the flow of electrical power from the hydrogen fuel cell 26 to the high-voltage network of the vehicle, is unsatisfactory.
  • its electrical power density relative to the volume it represents is low compared to that of an inverter, for example.
  • the present invention aims to remedy at least in part the drawbacks of the prior art by providing a power supply system for an electric motor of a hybrid electric vehicle using a hydrogen fuel cell, in which a voltage booster downstream of the hydrogen fuel cell has a small footprint while generating very few electrical losses.
  • the invention proposes a power supply system for an electric motor of a hybrid electric vehicle, the power supply system comprising a hydrogen fuel cell, a hydrogen tank capable of supplying the hydrogen fuel cell, a voltage booster at the output of the hydrogen fuel cell, the voltage booster comprising at least one induction coil, the power supply system being characterized in that the hydrogen tank is a cryogenic tank capable of maintaining the hydrogen in the liquid state and at a temperature below a liquefaction temperature of the hydrogen, and in that the induction coil is immersed in the hydrogen tank, the induction coil being formed of a superconducting material at the temperature of the liquid hydrogen in the hydrogen tank.
  • the voltage booster is capable of raising an output voltage of the hydrogen fuel cell to a voltage of a high-voltage network of the vehicle.
  • the voltages mentioned in this application are electrical voltages, that the electric motor powered by the system according to the invention is of course an electric traction or propulsion motor, and that the voltage booster is here a direct current - direct current converter.
  • the network voltage high voltage is at least equal to the voltage across a traction battery of the vehicle.
  • the induction coil is an air induction coil, i.e. without a magnetic core.
  • the induction coil does not have iron losses, unlike the prior art.
  • the induction coil of the invention has more turns than the induction coil of the voltage booster of the prior art.
  • the induction coil of the invention has between 80 and 200 turns.
  • the turns of the induction coil of the invention are advantageously thinner than those of the induction coil of the voltage booster of the prior art, while being able to conduct as much current due to their superconducting quality.
  • the wire forming the turns of the induction coil of the invention has, for example, a cross-section with a diameter of between 100 and 600 mm (micrometers).
  • Either or a combination of these characteristics namely the increase in the number of turns or the increase in the working frequency, are advantageously used in the invention.
  • the use of the increase in the working frequency is all the more advantageous since it makes it possible to save on the quantity of superconducting material for producing the winding of the induction coil of the invention.
  • the superconducting material is an alloy of niobium and tin (Nb3Sn). This alloy is superconducting below -255°C (degrees Celsius), the hydrogen being liquid at -253°C between approximately 1 and 3 bar.
  • This characteristic makes it possible to use a conventional superconducting material which is therefore inexpensive, and to store the liquid hydrogen in the hydrogen tank at atmospheric pressure or at a pressure close to atmospheric pressure, for example between 0.8 bar and 3 bar.
  • the superconducting material forming the induction coil is a niobium germanium alloy (Nb3Ge) which is superconducting at -250°C or a compound from the cuprate family, any superconducting material at a temperature compatible with liquid hydrogen being possible.
  • Nb3Ge niobium germanium alloy
  • the induction coil forms a toroidal winding.
  • This characteristic makes it possible to confine the magnetic flux produced by the induction coil when it is traversed by an electric current, inside the torus formed by the toroidal winding, which makes it possible to limit iron losses outside the induction coil. Indeed, magnetic flux leaks outside the winding could cause iron losses by eddy currents for example in the material forming the hydrogen tank, often made of aluminum.
  • other forms of winding are nevertheless possible such as windings with round turns where all the turns form a square, or windings with square turns.
  • the liquid hydrogen tank comprises sealed passages through which two ends of the induction coil exit, the passages being located in a filling cap of the hydrogen tank. This feature makes it possible to maintain maximum thermal insulation.
  • the two ends of the induction coil are each connected to at least one component of the voltage booster, the components of the voltage booster connected to the induction coil being arranged in a housing proximal to the ends of the induction coil relative to connection terminals to the high-voltage network of the electric vehicle.
  • the components of the voltage booster connected to the induction coil are closer to the induction coil than to the connection terminals to the high-voltage network of the electric vehicle. Bringing the coil and the other components of the voltage booster closer together makes it possible to limit thermal losses between the hydrogen tank and the voltage booster.
  • the two ends of the induction coil are connected to components of the voltage booster by conductors of almost zero resistance, the length of which must be limited in order to reduce thermal and electrical losses.
  • the components of the voltage booster connected to the induction coil are for example arranged on a thermally conductive support in contact with a metal outer surface of the hydrogen tank. This makes it possible to take advantage of the low temperature of this metal outer surface to cool the components of the voltage booster other than the induction coil.
  • the thermally conductive support is for example multilayer and may comprise layers of copper and ceramic.
  • the voltage booster comprises the induction coil, two transistors and two capacitors, the two transistors and the two capacities being arranged on the support.
  • the housing comprises a cooling channel.
  • This alternative is implemented in particular if the components of the voltage booster other than the induction coil are not thermally in contact with the metal outer surface of the hydrogen tank.
  • the cooling channel is for example supplied with hydrogen from the hydrogen tank.
  • the power supply system of an electric motor of a hybrid electric vehicle comprises a traction battery and an inverter, the inverter being connected at the input to an output of the voltage booster and to the terminals of the traction battery, and connected at the output to the electric motor of the vehicle.
  • the traction battery is here an electric storage battery.
  • the battery could be replaced or assisted by a supercapacitor in an architecture where a second boost converter interfaces between the supercapacitor and the high-voltage network of the electric traction, in particular to compensate for the large voltage variations of the supercapacitor.
  • the invention also relates to a hybrid electric vehicle comprising an electric motor and a power supply system for the electric motor according to the invention.
  • FIG.l already commented in relation to the prior art, represents a power supply system for an electric motor of a hybrid electric vehicle of the prior art, using a hydrogen fuel cell,
  • FIG.2 represents a power supply system for an electric motor of a hybrid electric vehicle according to the invention, using a hydrogen fuel cell, and
  • FIG.3 is an electrical diagram of a voltage booster of the power supply system of [Fig.2].
  • a hybrid electric vehicle comprises a power supply system 100 according to the invention.
  • This power supply system 100 supplies, as in the power supply system 1 of [Fig. 1], the electric motor 82 via the inverter 80.
  • These elements, as well as other elements of the power supply system 100 according to the invention, are identical to the elements referenced in the same way in [Fig. 1] of the prior art and operate in the same way. They will therefore not be detailed again in excess.
  • the inverter 80 is connected to the electrical node 78 forming two connection terminals of a high-voltage network of the hybrid electric vehicle, to which the charger 84 is connected, itself connected to the socket of electric charge 86 of the electric vehicle.
  • the energy sources ensuring a sufficient supply voltage on the high-voltage network are the traction battery 76 and the hydrogen fuel cell 26.
  • the computer 90 of the vehicle manages on the one hand the power supply of the electric motor 82 using one or the other of the energy sources or both together, and on the other hand the recharging of the traction battery 76.
  • the hydrogen fuel cell 26 is supervised by the control unit 60, which manages in particular the cooling circuit 58 in which glycolated water circulates and which comprises, arranged as in [Fig. 1], the heat exchanger 52, the pump 56, the three-way valve 54 and the deionizer 50.
  • the air circuit 38 allows the supply of oxygen to the hydrogen fuel cell 26, the air being taken at the air inlet 30.
  • the air circuit 38 is arranged like that of [Fig. 1], and includes in particular the air filter 32, the compressor 34, the cooling member 36, the humidifier 40, the valve 42 and the exhaust device 44.
  • the hydrogen cell 26 of the supply system 100 is supplied with hydrogen by means of a hydrogen circuit 180, in which hydrogen from a cryogenic hydrogen tank 160 circulates.
  • the cryogenic hydrogen tank 160 maintains the hydrogen in the liquid state at a temperature below -255°C and at atmospheric pressure.
  • the hydrogen tank 160 comprises a filling cap 140 allowing the hydrogen tank 160 to be filled with liquid hydrogen, from a filling hatch 120 connected to the filling cap 140 by a pipe shown in double lines.
  • the hydrogen not consumed by the hydrogen cell 26 can be released by the back pressure valve 24 or sent back into the hydrogen circuit 180 by the recirculation pump 22.
  • the positive 70 and negative 72 electrical connections are connected to the input of a voltage booster 740, which converts the voltage of output Vb of the hydrogen fuel cell 26 into a voltage Vh (referenced [Fig.3]) equal to a voltage of the high voltage network of the vehicle, for example 400V.
  • the voltage booster 740 is connected at the output to the high voltage network of the vehicle by a positive output conductor bus 73 and a negative output conductor bus 71.
  • the cooling circuit 58 does not include a deionizer 50, or the air circuit 38 does not return the water produced by the hydrogen cell 26 via the exhaust device but stores it entirely.
  • the hydrogen not consumed by the hydrogen cell 26 is not returned to the hydrogen circuit 180, and the hydrogen tank 160 stores the liquid hydrogen at a temperature below 253°C only, and/or at a pressure different from atmospheric pressure.
  • the electric charging socket 86 is directly connected to the input of the traction battery 76, being intended to be connected to a direct current charging terminal.
  • the maximum no-load voltage of the traction battery 76 is here 400V but alternatively its maximum no-load voltage is different from 400V while remaining higher than the output voltage Vb of the hydrogen fuel cell 26, which can also be lower than 200V or higher than 300V while remaining permanently lower than the voltage of the traction battery 76.
  • the power supply system 100 in its definition can comprise all the elements of [Fig.2] with the exception of the electric motor 82, the charger 84 and the electric charging socket 86.
  • the voltage booster 740 comprises an input capacitor 743, connected by one of its ends to the negative electrical output connection 72 of the fuel cell 26, and by the other of its ends to the positive electrical output connection 70 of the fuel cell 26 as well as to a first end of an air induction coil 741, i.e. not comprising any magnetic material.
  • a second end of the induction coil 741 is connected to the source of a first field effect transistor 747 and to the drain of a second field effect transistor 746.
  • the drain of the first field effect transistor 1A- is connected to the output positive conductive bus 73 and to a first end of an output capacitor 748, a second end of the output capacitor 748 being connected to the output negative conductive bus 71.
  • the source of the second field effect transistor 746 is also connected to the negative output conductive bus 71, at the same potential as the negative electrical connection 72.
  • the electrical components of the voltage booster 740 are therefore the capacitance input capacitor 743, output capacitor 748, inductor 741 and field effect transistors 747 and 746.
  • the voltage booster may have a different architecture, for example comprising several inductors and several other transistors.
  • the induction coil 741 is immersed in the hydrogen tank 160.
  • the induction coil 741 is in fact formed of a superconducting material at the temperature of the liquid hydrogen in the hydrogen tank 160.
  • This superconducting material is, in this embodiment of the invention, a wire made of a niobium and tin alloy (Nb3Sn).
  • the induction coil 741 is a toroidal coil whose turns are formed of the niobium and tin alloy wire, this wire possibly being wound around an electrically non-conducting toroidal support with a relative magnetic permeability close to 1, for example made of a polymer material.
  • the induction coil 741 has an inductance of approximately 50 pH (microhenry), preferably between 20 pH and 100 pH, without using a magnetic core, thanks to a number of turns between 80 and 200 turns, the section of the niobium and tin alloy wire having a diameter between 100 and 600 mm.
  • the working frequency of the voltage booster 740 is of the order of 100kHz, for example it is between 80kHz and 150kHz.
  • the two ends of the induction coil 741 exit the hydrogen tank 160 through two sealed passages arranged in the filler cap 140 of the hydrogen tank 160.
  • the other components of the voltage booster 740 which are the input capacitor 743, the output capacitor 748 and the field effect transistors 747 and 746, are secured to a flat support 742 in thermal contact with the wall of the hydrogen tank 160, outside the hydrogen tank 160.
  • the flat support 742 is for example formed of materials that are good thermal conductors, for example it comprises a ceramic layer gripped between two copper layers.
  • the hydrogen tank 160 is, in this embodiment of the invention, formed overall of a double cylindrical wall made of aluminum, allowing sufficient insulation to maintain the hydrogen in the liquid state in the hydrogen tank 160.
  • the external wall of this double wall is however cold enough to allow, via the flat support 742, the cooling of the components of the voltage booster 740 other than the induction coil 741 without requiring other cooling means for the proper operation of the voltage booster 740.
  • These other components of the voltage booster 740 are arranged in a closed housing 745.
  • This housing 745 is arranged as close as possible to the filling plug 140, so as to limit the length of the electrical connections between the induction coil 741 and the other components of the voltage booster 740, these electrical connections generating thermal losses.
  • the housing 745 is arranged close to the filler cap 140 without necessarily being secured to the wall of the hydrogen tank 160. It comprises, for example, a cooling channel supplied with liquid hydrogen from the filler cap 140.

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Abstract

La présente invention concerne un système d'alimentation (100) d'un moteur électrique (82) d'un véhicule hybride électrique, le système d'alimentation (100) comportant une pile à hydrogène (26), un réservoir d'hydrogène (160) apte à alimenter la pile à hydrogène (26), un élévateur de tension (740) en sortie de la pile à hydrogène (26), l'élévateur de tension (740) comportant une bobine d'induction (741), le réservoir d'hydrogène (160) étant un réservoir cryogénique apte à maintenir l'hydrogène à l'état liquide et à une température inférieure à une température de liquéfaction de l'hydrogène, la bobine d'induction (741) étant plongée dans le réservoir d'hydrogène (160) et formée d'un matériau supraconducteur à la température de l'hydrogène liquide dans le réservoir d'hydrogène (160).

Description

Description
SYSTÈME D'ALIMENTATION D'UN MOTEUR ÉLECTRIQUE DE VÉHICULE HYBRIDE ÉLECTRIQUE UTILISANT UNE PILE À COMBUSTIBLE À HYDROGÈNE
[0001] La présente invention se rapporte aux domaines de F électrotechnique et des véhicules hybrides électriques utilisant une pile à hydrogène comme prolongateur d’autonomie. Plus précisément, l’invention concerne un système d’alimentation d’au moins un moteur électrique de traction ou de propulsion d’un véhicule hybride électrique, celui-ci pouvant être un véhicule automobile ou tout autre type de véhicule.
[0002] L’utilisation d’une pile à hydrogène comme prolongateur d’autonomie, dans un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, pouvant être alimenté par la pile à hydrogène et/ou par une batterie de traction, permet de diversifier les sources d’énergie du véhicule, et d’avoir une taille de batterie de traction réduite par rapport à la taille d’une batterie de traction d’un véhicule purement électrique de même autonomie.
[0003] La [Fig.l] illustre un système d’alimentation 1 d’un véhicule hybride électrique utilisant une pile à hydrogène 26 comme prolongateur d’autonomie, dans l’art antérieur.
[0004] La pile à hydrogène 26 est alimentée par un réservoir d’hydrogène 16 maintenant de l’hydrogène gazeux à température ambiante et à une pression de 700bars. Bien sûr dans cette demande on utilise l’appellation commune « hydrogène » pour désigner en fait du dihydrogène.
[0005] Le réservoir d’hydrogène 16 comporte un bouchon 14 permettant le remplissage du réservoir. Ce remplissage s’effectue depuis une trappe 12 de remplissage, ménagée dans le véhicule et reliée au bouchon 14 du réservoir d’hydrogène 16 par une conduite représentée en traits doubles. Lorsque la pile à hydrogène 26 est en fonctionnement, l’hydrogène dans le réservoir d’hydrogène 16 circule dans un circuit d’hydrogène 18, également représenté en traits doubles. Dans ce circuit d’hydrogène 18, l’hydrogène gazeux sort du bouchon 14 du réservoir d’hydrogène 16, et arrive à un détendeur 20 qui diminue la pression de l’hydrogène avant que celui-ci n’entre dans la pile à hydrogène 26.
[0006] La pile à hydrogène 26 comporte une anode et une cathode et produit une différence de potentiel électrique entre son anode et sa cathode par oxydation entre d’une part de l'oxygène présent dans de l'air apporté dans la pile à hydrogène 26 par un circuit d’air 38 décrit plus loin, et d’autre part l’hydrogène en provenance du circuit d’hydrogène 18. La pile à hydrogène 26 est dimensionnée pour que cette différence de potentiel corresponde à une tension électrique en sortie de la pile à hydrogène 26 de l’ordre de 200 ou 300V (Volts). L’hydrogène non consommé par la pile à hydrogène 26 peut être libéré par une vanne de contre-pression 24 ou ré-envoyé dans le circuit d’hydrogène 18 par une pompe de recirculation 22.
[0007] L’air amené dans la pile à hydrogène 26 provient d’une entrée d’air 30 sur le véhicule, connectée au circuit d’air 38. L’air provenant de cette entrée d’air 30 est filtré par un filtre à air 32, ensuite pressurisé par un compresseur 34, puis est refroidi dans un organe de refroidissement 36 avant d’être envoyé dans un humidificateur 40 où l’air est humidifié avant son entrée dans la pile à hydrogène 26. En sortie de la pile à hydrogène 26, de l’eau, produit de la réaction dans la pile à hydrogène 26, est envoyé dans l’humidificateur 40, l’eau produite étant en partie utilisée pour humidifier l’air entrant dans la pile à hydrogène 26, et en partie condensée dans un réservoir d’eau de l’humidificateur 40. Une vanne 42 permet d’évacuer l’air et l’eau non condensée dans l’humidificateur en sortie de la pile à hydrogène 26 vers un dispositif d’échappement 44 du véhicule.
[0008] La réaction d’oxydation qui se produit dans la pile à hydrogène 26 pendant son fonctionnement génère des calories qui sont évacuées par un circuit de refroidissement 58 dans lequel circule un liquide caloporteur tel que de l’eau glycolée. Le circuit de refroidissement 58 fait passer le liquide caloporteur dans la pile à hydrogène 26 où il prend des calories qu’il évacue en passant dans un échangeur de chaleur 52, par exemple un radiateur à l’avant du véhicule. Le liquide caloporteur ainsi refroidi traverse ensuite une vanne 54 trois voies l’amenant à une pompe 56 qui le ramène dans la pile à hydrogène 26. Une dérivation entre l’entrée de l’échangeur de chaleur 52 et une entrée de la vanne 54 trois voies permet de faire passer une partie du liquide caloporteur dans un dé-ioniseur 50 avant de le renvoyer vers la pompe 56. Le dé-ioniseur 50 permet de diminuer la conductivité électrique du liquide caloporteur, afin que celui-ci ne génère pas de courant de fuite entre la pile à hydrogène 26 et le châssis via l’échangeur 52 qui pourrait être interprété comme un défaut d’isolement du circuit haute tension dont la pile à combustible fait partie.
[0009] Une unité de contrôle 60 de la pile à hydrogène 26, par exemple un microcontrôleur, supervise la réaction dans la pile à hydrogène, notamment la température de la pile à hydrogène, son démarrage et son arrêt.
[0010] La pile à hydrogène 26 comporte des sorties électriques, notamment une liaison électrique positive 70 et une liaison électrique négative 72 entre lesquelles la tension est égale à la tension de sortie de la pile à hydrogène 26. Les liaisons électriques positive 70 et négative 72 sont connectées à l’entrée d’un élévateur de tension 74, qui convertit la tension de sortie de la pile à hydrogène 26, de l’ordre de 200 à 300V, en une tension égale à une tension d’un réseau haute tension du véhicule, par exemple de 400V ou 800V. Cette tension du réseau haute tension du véhicule est présente notamment au niveau d’un « nœud électrique » 78, c’est-à-dire entre des bornes de connexion auxquelles sont rattachées plusieurs modules haute tension du véhicule, notamment une batterie 76 de traction du véhicule, un chargeur 84 permettant de recharger la batterie 76 de traction à partir d’une prise de recharge 86 du véhicule, et un onduleur 80 apte à alimenter en courant triphasé un moteur électrique 82 du véhicule.
[0011] Il est à noter que dans cette demande, la batterie de traction s’entend comme une batterie alimentant l’onduleur et le moteur électrique lors du roulage du véhicule, à la différence d’une batterie de servitude du véhicule alimentant un réseau électrique basse tension du véhicule (par exemple 14V) auquel sont connectés différents consommateurs dont un calculateur principal du véhicule. La batterie de traction peut donc aussi être entendue comme une batterie de propulsion en fonction du moteur électrique utilisé. Sans mention contraire, la batterie à laquelle il est fait référence dans cette demande est la batterie de traction du véhicule. De façon similaire, le moteur et l’onduleur dans cette demande de brevet font référence à un moteur électrique de traction ou de propulsion et à un onduleur de traction ou de propulsion du véhicule, en l’absence d’indication contraire.
[0012] De manière connue dans le système d’alimentation 1 de l’art antérieur représenté [Fig.l], le moteur électrique 82 du véhicule utilise par exemple uniquement comme source d’énergie la batterie de traction 76 lors de faibles temps de parcours, et utilise à la fois la pile à hydrogène 26 et la batterie de traction 76 comme sources d’énergie pour de longs trajets. Les deux sources d’énergie que sont la pile à hydrogène 26 et la batterie de traction 76 peuvent fonctionner indépendamment et être utilisées indépendamment par le véhicule. De plus la pile à hydrogène 26 peut être utilisée pour recharger la batterie de traction 76. Un calculateur 90 du véhicule permet de faire fonctionner le système d’alimentation 1 en utilisant l’une ou l’autre des sources d’énergie pour l’avancement du véhicule, et permet de gérer une recharge de la batterie de traction 76 par le chargeur 84 ou par la pile à hydrogène 26.
[0013] Ce système d’alimentation 1 de l’art antérieur présente donc de nombreux avantages, notamment un faible coût de recharge en énergie grâce à la recharge électrique de la batterie de traction 76, et un faible temps de recharge grâce à la recharge rapide en hydrogène du réservoir d’hydrogène 16.
[0014] Cependant le rendement de conversion électrique de l’élévateur de tension 74, qui pilote le flux de puissance électrique allant de la pile à hydrogène 26 vers le réseau haute tension du véhicule, est peu satisfaisant. De plus sa densité de puissance électrique par rapport au volume qu’il représente est faible par rapport à celui d’un onduleur par exemple.
[0015] En effet, l’élévateur de tension 74 subit d’importantes pertes électriques dans ses composants inductifs, qui comprennent au moins une bobine d’induction. Une telle bobine d’induction est constituée d’un noyau magnétique à perméabilité magnétique relative élevée autour duquel est bobiné un conducteur électrique, usuellement en cuivre. Lorsque le conducteur électrique est parcouru par un courant électrique, le conducteur électrique crée un champ magnétique. Lorsqu’il est parcouru par ce courant électrique, le conducteur électrique génère donc des pertes Joule, et le noyau magnétique génère des pertes fer du fait de sa conductivité électrique non nulle et de l’hystérésis propre au matériau du noyau magnétique. Ces pertes électriques (pertes Joule et pertes fer, courants de Foucault et pertes par hystérésis) génèrent à minima la moitié de l’ensemble des pertes électriques du convertisseur de l’élévateur de tension 74.
[0016] Il existe donc un besoin d’un système d’alimentation d’un moteur électrique d’un véhicule hybride électrique, dans lequel l’élévateur de tension en aval de la pile à hydrogène présente un meilleur rendement électrique.
[0017] La présente invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure en fournissant un système d’alimentation d’un moteur électrique d’un véhicule hybride électrique utilisant une pile à hydrogène, dans lequel un élévateur de tension en aval de la pile à hydrogène présente un faible encombrement tout en générant très peu de pertes électriques.
[0018] A cette fin, l’invention propose un système d’alimentation d’un moteur électrique d’un véhicule hybride électrique, le système d’alimentation comportant une pile à hydrogène, un réservoir d’hydrogène apte à alimenter la pile à hydrogène, un élévateur de tension en sortie de la pile à hydrogène, l’élévateur de tension comportant au moins une bobine d’induction, le système d’alimentation étant caractérisé en ce que le réservoir d’hydrogène est un réservoir cryogénique apte à maintenir l’hydrogène à l’état liquide et à une température inférieure à une température de liquéfaction de l’hydrogène, et en ce que la bobine d’induction est plongée dans le réservoir d’hydrogène, la bobine d’induction étant formée d’un matériau supraconducteur à la température de l’hydrogène liquide dans le réservoir d’hydrogène. L’élévateur de tension est apte à élever une tension de sortie de la pile à hydrogène jusqu’à une tension d’un réseau haute tension du véhicule.
[0019] Grâce à l’invention, lorsqu’un conducteur électrique formant le bobinage de la bobine d’induction de l’élévateur de tension est parcouru par un courant électrique, ce conducteur électrique étant supraconducteur ne produit pas de pertes Joules.
Il est à noter que les tensions mentionnées dans cette demande sont des tensions électriques, que le moteur électrique alimenté par le système selon l’invention est bien sûr un moteur électrique de traction ou de propulsion, et que l’élévateur de tension est ici un convertisseur courant continu - courant continu. De plus la tension du réseau haute tension est au moins égale à la tension aux bornes d’une batterie de traction du véhicule. Lorsque la pile à hydrogène recharge la batterie de traction, la tension de sortie de la pile à hydrogène, donc la tension du réseau haute tension, est supérieure à la tension de la pile à hydrogène.
[0020] De préférence, dans l’invention la bobine d’induction est une bobine d’induction à air, c’est-à-dire sans noyau magnétique. De ce fait la bobine d’induction ne présente pas de pertes fer, au contraire de l’art antérieur. Afin de compenser l’absence de noyau magnétique et d’avoir un effet inductif équivalent à celui d’une bobine d’induction de l’art antérieur, la bobine d’induction de l’invention présente plus de spires que la bobine d’induction de l’élévateur de tension de l’art antérieur. A titre d’exemple, la bobine d’induction de l’invention présente entre 80 et 200 spires. Les spires de la bobine d’induction de l’invention sont avantageusement plus fines que celles de la bobine d’induction de l’élévateur de tension de l’art antérieur, tout en pouvant conduire autant de courant du fait de leur qualité supraconductrice. Le fil formant les spires de la bobine d’induction de l’invention a par exemple une section de diamètre compris entre 100 et 600 mm (micromètres).
[0021] De plus, la fréquence de travail de l’élévateur de tension de l’invention est avantageusement plus importante que celle de l’élévateur de tension de l’art antérieur, qui est de l’ordre de 20 à 30kHz (kilohertz), afin de compenser encore l’absence de noyau magnétique qui a tendance à diminuer la valeur de ou des inductances de filtrage. Par exemple la fréquence de travail de l’élévateur de tension de l’invention est comprise entre 100 et 150kHz.
[0022] L’une ou l’autre ou une combinaison de ces caractéristiques que sont l’augmentation du nombre de spires ou l’augmentation de la fréquence de travail sont avantageusement utilisées dans l’invention. L’utilisation de l’augmentation de la fréquence de travail est d’autant plus avantageuse qu’elle permet de gagner en quantité de matériau supraconducteur pour réaliser le bobinage de la bobine d’induction de l’invention.
[0023] Selon une caractéristique avantageuse du système d’alimentation d’un moteur électrique selon l’invention, le matériau supraconducteur est un alliage de niobium et d’étain (Nb3Sn). Cet alliage est supraconducteur en dessous de -255°C (degrés Celsius), l’hydrogène étant liquide à -253°C entre environ 1 et 3 bar. Cette caractéristique permet d’utiliser un matériau supraconducteur classique donc peu coûteux, et de stocker l’hydrogène liquide dans le réservoir d’hydrogène à la pression atmosphérique ou à une pression proche de la pression atmosphérique, par exemple comprise entre 0,8 bars et 3 bars. En variante, le matériau supraconducteur formant la bobine d’induction est un alliage de niobium germanium (Nb3Ge) supraconducteur à - 250°C ou un composé de la famille des cuprates, tout matériau supraconducteur à une température compatible avec l’hydrogène liquide étant envisageable.
[0024] Selon une autre caractéristique avantageuse du système d’alimentation selon l’invention, la bobine d’induction forme un bobinage toroidal. Cette caractéristique permet de confiner le flux magnétique produit par la bobine d’induction lorsqu’elle est parcourue par un courant électrique, à l’intérieur du tore formé par le bobinage toroidal, ce qui permet de limiter les pertes fer à l’extérieur de la bobine d’induction. En effet des fuites de flux magnétique à l’extérieur du bobinage pourraient engendrer des pertes fer par courants de Foucault par exemple dans le matériau formant le réservoir d’hydrogène, souvent en aluminium. En variante d’autres formes de bobinage sont néanmoins possibles telles que des bobinages à spires rondes dont l’ensemble des spires forme un carré, ou bien des bobinages à spires carrées.
[0025] Dans un mode de réalisation de l’invention, le réservoir d’hydrogène liquide comporte des passages étanches au travers desquels sortent deux extrémités de la bobine d’induction, les passages étant situés dans un bouchon de remplissage du réservoir d’hydrogène. Cette caractéristique permet de conserver une isolation thermique maximale.
[0026] Préférentiellement dans ce mode de réalisation de l’invention, les deux extrémités de la bobine d’induction sont reliées chacune à au moins un composant de l’élévateur de tension, les composants de l’élévateur de tension reliés à la bobine d’induction étant agencés dans un boîtier proximal aux extrémités de la bobine d’induction par rapport à des bornes de connexion au réseau haute tension du véhicule électrique. En d’autres termes, les composants de l’élévateur de tension reliés à la bobine d’induction sont plus proches de la bobine d’induction que des bornes de connexion au réseau haute tension du véhicule électrique. Le fait de rapprocher la bobine et les autres composants de l’élévateur de tension permet de limiter les pertes thermiques entre le réservoir d’hydrogène et l’élévateur de tension. En effet les deux extrémités de la bobine d’induction sont reliées à des composants de l’élévateur de tension par des conducteurs de résistance quasi nulle, dont il faut limiter la longueur pour réduire les pertes thermiques et électriques.
[0027] Les composants de l’élévateur de tension reliés à la bobine d’induction sont par exemple disposés sur un support thermiquement conducteur en contact avec une surface extérieure métallique du réservoir d’hydrogène. Cela permet de profiter de la basse température de cette surface extérieure métallique pour refroidir les composants de l’élévateur de tension autres que la bobine d’induction. Le support thermiquement conducteur est par exemple multicouche et peut comporter des couches de cuivre et de céramique.
[0028] Dans un mode de réalisation de l’invention, l’élévateur de tension comporte la bobine d’induction, deux transistors et deux capacités, les deux transistors et les deux capacités étant disposés sur le support.
[0029] En variante de réalisation, le boîtier comporte un canal de refroidissement. Cette variante est notamment mise en œuvre si les composants de l’élévateur de tension autres que la bobine d’induction ne sont pas thermiquement en contact avec la surface extérieure métallique du réservoir d’hydrogène. Le canal de refroidissement est par exemple alimenté par de l’hydrogène issu du réservoir d’hydrogène.
[0030] Dans un mode de réalisation de l’invention, le système d’alimentation d’un moteur électrique d’un véhicule hybride électrique selon l’invention comporte une batterie de traction et un onduleur, l’onduleur étant connecté en entrée à une sortie de l’élévateur de tension et aux bornes de la batterie de traction, et connecté en sortie au moteur électrique du véhicule. La batterie de traction est ici une batterie d’accumulateurs électriques. Dans d’autres modes de réalisation, la batterie pourrait être remplacée ou assistée par un supercondensateur dans une architecture où un second convertisseur élévateur fait l’interface entre le supercondensateur et le réseau haute tension de la traction électrique, notamment pour compenser les fortes variations de tension du supercondensateur.
[0031] L’invention concerne aussi un véhicule hybride électrique comportant un moteur électrique et un système d’alimentation du moteur électrique selon l’invention.
[0032] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[0033] [Fig.l] déjà commentée en relation avec l’art antérieur, représente un système d’alimentation d’un moteur électrique d’un véhicule hybride électrique de l’art antérieur, utilisant une pile à hydrogène,
[0034] [Fig.2] représente un système d’alimentation d’un moteur électrique d’un véhicule hybride électrique selon l’invention, utilisant une pile à hydrogène, et
[0035] [Fig.3] est un schéma électrique d’un élévateur de tension du système d’alimentation électrique de la [Fig.2].
[0036] Selon un mode de réalisation de l’invention représenté [Fig.2], un véhicule hybride électrique comporte un système d’alimentation 100 selon l’invention. Ce système d’alimentation 100 alimente, comme dans le système d’alimentation 1 de la [Fig.l], le moteur électrique 82 via l’onduleur 80. Ces éléments, ainsi que d’autres éléments du système d’alimentation 100 selon l’invention, sont identiques aux éléments référencés de la même façon sur la [Fig.l] de l’art antérieur et fonctionnent de la même manière. Ils ne seront donc pas redétaillés outre mesure. L’onduleur 80 est connecté au nœud électrique 78 formant deux bornes de connexion d’un réseau haute tension du véhicule hybride électrique, auquel est connecté le chargeur 84, lui-même connecté à la prise de charge électrique 86 du véhicule électrique. Les sources d’énergie assurant une tension d’alimentation suffisante sur le réseau haute tension, sont la batterie de traction 76 ainsi que la pile à hydrogène 26. Le calculateur 90 du véhicule gère d’une part l’alimentation du moteur électrique 82 en utilisant l’une ou l’autre des sources d’énergie ou les deux ensemble, et d’autre part la recharge de la batterie de traction 76. [0037] La pile à hydrogène 26 est supervisée par l’unité de contrôle 60, qui gère notamment le circuit de refroidissement 58 dans lequel circule de l’eau glycolée et qui comporte, agencés comme dans la [Fig.1], l’échangeur de chaleur 52, la pompe 56, la vanne 54 trois voies et le dé-ioniseur 50.
[0038] Le circuit d’air 38 permet l’alimentation en oxygène de la pile à hydrogène 26, l’air étant prélevé au niveau de l’entrée d’air 30. Le circuit d’air 38 est agencé comme celui de la [Fig.l], et comporte notamment le filtre à air 32, le compresseur 34, l’organe de refroidissement 36, l’humidificateur 40, la vanne 42 et le dispositif d’échappement 44.
[0039] Contrairement à la [Fig.l], la pile à hydrogène 26 du système d’alimentation 100 selon l’invention est alimentée en hydrogène au moyen d’un circuit 180 d’hydrogène, dans lequel circule un hydrogène provenant d’un réservoir d’hydrogène 160 cryogénique. Le réservoir d’hydrogène 160 cryogénique maintient l’hydrogène à l’état liquide à une température inférieure à -255°C et à la pression atmosphérique. Le réservoir d’hydrogène 160 comporte un bouchon de remplissage 140 permettant le remplissage du réservoir d’hydrogène 160 en hydrogène liquide, depuis une trappe de remplissage 120 reliée au bouchon de remplissage 140 par une conduite représentée en traits doubles.
[0040] Lorsque la pile à hydrogène 26 est en fonctionnement, l’hydrogène liquide dans le réservoir d’hydrogène 160 circule dans le circuit d’hydrogène 180, également représenté en traits doubles, jusqu’à un dispositif de chauffage 200 qui vaporise l’hydrogène liquide avant que celui-ci n’entre dans la pile à hydrogène 26.
L’hydrogène non consommé par la pile à hydrogène 26 peut être libéré par la vanne de contre-pression 24 ou ré-envoyé dans le circuit d’hydrogène 180 par la pompe de recirculation 22.
[0041] La différence de potentiel électrique créée entre l’anode et la cathode de la pile à hydrogène 26 par oxydation entre d’une part l'oxygène présent dans l'air apporté par le circuit d’air 38 et d’autre part l’hydrogène en provenance du circuit d’hydrogène 180 correspond à une tension électrique Vb (référencée [Fig.3]) en sortie de la pile à hydrogène 26, cette tension de sortie Vb étant de l’ordre de 200 ou 300V (Volts). La tension de sortie Vb de la pile à hydrogène 26 est donc présente entre la liaison électrique positive 70 et la liaison électrique négative 72, qui sont les sorties électriques de la pile à hydrogène 26. Les liaisons électriques positive 70 et négative 72 sont connectées à l’entrée d’un élévateur de tension 740, qui convertit la tension de sortie Vb de la pile à hydrogène 26 en une tension Vh (référencée [Fig.3]) égale à une tension du réseau haute tension du véhicule, par exemple de 400V. L’élévateur de tension 740 est connecté en sortie au réseau haute tension du véhicule par un bus conducteur positif de sortie 73 et un bus conducteur négatif de sortie 71.
[0042] Des variantes de réalisation sont bien sûr possibles par rapport à cet agencement de la [Fig.2]. Notamment en variante, le circuit de refroidissement 58 ne comporte pas de dé-ioniseur 50, ou bien le circuit d’air 38 ne renvoie pas l’eau produite par la pile à hydrogène 26 par le dispositif d’échappement mais la stocke entièrement. De même en variante l’hydrogène non consommé par la pile à hydrogène 26 n’est pas renvoyé dans le circuit d’hydrogène 180, et le réservoir d’hydrogène 160 stocke l’hydrogène liquide à une température inférieure à 253 °C seulement, et/ou à une pression différente de la pression atmosphérique. Dans une autre variante la prise de recharge électrique 86 est directement connectée en entrée de la batterie de traction 76, en étant destinée à être connectée à une borne de recharge en courant continu. Il est de plus à noter que la tension maximale à vide de la batterie de traction 76 est ici de 400V mais en variante sa tension maximale à vide est différente de 400V tout en restant supérieure à la tension de sortie Vb de la pile à hydrogène 26, qui peut également être inférieure à 200V ou supérieure à 300V tout en restant en permanence inférieure à la tension de la batterie de traction 76.
[0043] Il est de plus à noter que le système d’alimentation 100 dans sa définition peut comporter tous les éléments de la [Fig.2] à l’exception du moteur électrique 82, du chargeur 84 et de la prise de recharge électrique 86.
[0044] En référence à la [Fig.3], l’élévateur de tension 740 comporte une capacité d’entrée 743, connectée par une de ses extrémités à la liaison électrique négative 72 de sortie de la pile à combustible 26, et par l’autre de ses extrémités à la liaison électrique positive 70 de sortie de la pile à combustible 26 ainsi qu’à une première extrémité d’une bobine d’induction 741 à air, c’est-à-dire ne comportant pas de matériau magnétique. Une deuxième extrémité de la bobine d’induction 741 est connectée à la source d’un premier transistor à effet de champ 747 et au drain d’un deuxième transistor à effet de champ 746.
[0045] Le drain du premier transistor à effet de champ 1A- est connecté au bus conducteur positif de sortie 73 et à une première extrémité d’une capacité de sortie 748, une deuxième extrémité de la capacité de sortie 748 étant connectée au bus conducteur négatif de sortie 71.
[0046] La source du deuxième transistor à effet de champ 746 est également connectée au bus conducteur négatif de sortie 71, au même potentiel que la liaison électrique négative 72.
[0047] Les composants électriques de l’élévateur de tension 740 sont donc la capacité d’entrée 743, la capacité de sortie 748, la bobine d’induction 741 et les transistors à effet de champ 747 et 746. En variante l’élévateur de tension peut comporter une architecture différente, comportant par exemple plusieurs bobines d’induction et plusieurs autres transistors.
[0048] Selon l’invention, comme visible sur la [Fig.2], la bobine d’induction 741 est plongée dans le réservoir d’hydrogène 160. La bobine d’induction 741 est en effet formée d’un matériau supraconducteur à la température de l’hydrogène liquide dans le réservoir d’hydrogène 160. Ce matériau supraconducteur est, dans ce mode de réalisation de l’invention, un fil en alliage de niobium et d’étain (Nb3Sn). De plus dans ce mode de réalisation de l’invention, la bobine d’induction 741 est une bobine toroïdale dont les spires sont formées du fil d’alliage de niobium et d’étain, ce fil étant éventuellement bobiné autour d’un support toroidal non conducteur électrique et avec une perméabilité magnétique relative proche de 1, par exemple en matériau polymère.
[0049] La bobine d’induction 741 présente une inductance d’environ 50 pH (microhenry), de préférence comprise entre 20 pH et 100 pH, sans utiliser de noyau magnétique, grâce à un nombre de spires compris entre 80 et 200 spires, la section du fil d’alliage de niobium et d’étain étant de diamètre compris entre 100 et 600 mm.
[0050] De plus, la fréquence de travail de l’élévateur de tension 740 est de l’ordre de 100kHz, par exemple elle est comprise entre 80kHz et 150kHz.
[0051] Bien sûr en variante, d’autres matériaux supraconducteurs sont utilisables pour réaliser le bobinage de la bobine d’induction 741, comme les cuprates, l’hydrogène liquide dans le réservoir d’hydrogène 160 pouvant alors être maintenu à -253°C.
[0052] Comme visible sur la [Fig.2] , les deux extrémités de la bobine d’induction 741 sortent du réservoir d’hydrogène 160 par deux passages étanches agencés dans le bouchon de remplissage 140 du réservoir d’hydrogène 160.
[0053] Les autres composants de l’élévateur de tension 740, que sont la capacité d’entrée 743, la capacité de sortie 748 et les transistors à effet de champ 747 et 746, sont quant à eux solidaires d’un support plan 742 en contact thermique avec la paroi du réservoir d’hydrogène 160, à l’extérieur du réservoir d’hydrogène 160. Le support plan 742 est par exemple formé de matériaux bon conducteurs thermiques, par exemple il comporte une couche de céramique prise en tenaille entre deux couches de cuivre.
[0054] Le réservoir d’hydrogène 160 est, dans ce mode de réalisation de l’invention, formé globalement d’une double paroi cylindrique en aluminium, permettant une isolation suffisante pour maintenir l’hydrogène à l’état liquide dans le réservoir d’hydrogène 160. La paroi externe de cette double paroi est cependant assez froide pour permettre, via le support plan 742, de refroidir les composants de l’élévateur de tension 740 autres que la bobine d’induction 741 sans nécessiter d’autres moyens de refroidissement pour le bon fonctionnement de l’élévateur de tension 740. Ces autres composants de l’élévateur de tension 740 sont agencés dans un boîtier fermé 745.
[0055] Ce boîtier 745 est disposé au plus près du bouchon de remplissage 140, de sorte à limiter la longueur des connexions électriques entre la bobine d’induction 741 et les autres composants de l’élévateur de tension 740, ces connexions électriques générant des pertes thermiques.
[0056] En variante, par exemple si le réservoir d’hydrogène 160 ne permet pas de refroidir efficacement l’élévateur de tension 740, le boîter 745 est disposé proche du bouchon de remplissage 140 sans être nécessairement solidarisé à la paroi du réservoir d’hydrogène 160. Il comprend par exemple un canal de refroidissement alimenté en hydrogène liquide depuis le bouchon de remplissage 140.
[0057] Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment les caractéristiques des différentes variantes de réalisation de l’invention envisagées dans cette demande, peuvent être combinées pour réaliser l’invention, dans la mesure où ces variantes ne sont pas incompatibles entre elles.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) d’un véhicule hybride électrique, le système d’alimentation (100) comportant une pile à hydrogène (26), un réservoir d’hydrogène (160) apte à alimenter la pile à hydrogène (26), un élévateur de tension (740) en sortie (Vb) de la pile à hydrogène (26), l’élévateur de tension (740) comportant au moins une bobine d’induction (741), le système d’alimentation (100) étant caractérisé en ce que le réservoir d’hydrogène (160) est un réservoir cryogénique apte à maintenir l’hydrogène à l’état liquide et à une température inférieure à une température de liquéfaction de l’hydrogène, et en ce que la bobine d’induction (741) est plongée dans le réservoir d’hydrogène (160), la bobine d’induction (741) étant formée d’un matériau supraconducteur à la température de l’hydrogène liquide dans le réservoir d’hydrogène (160).
[Revendication 2] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon la revendication 1 , dans lequel le matériau supraconducteur est un alliage de niobium et d’étain.
[Revendication 3] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la bobine d’induction (741) est une bobine d’induction à air.
[Revendication 4] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la bobine d’induction (741) forme un bobinage toroidal.
[Revendication 5] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le réservoir d’hydrogène (160) comporte des passages étanches au travers desquels sortent deux extrémités de la bobine d’induction (741), les passages étant situés dans un bouchon de remplissage (140) du réservoir d’hydrogène (160).
[Revendication 6] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon la revendication précédente, dans lequel les deux extrémités de la bobine d’induction (741) sont reliées chacune à au moins un composant de l’élévateur de tension (740), les composants de l’élévateur de tension (740) reliés à la bobine d’induction (741) étant agencés dans un boîtier (745) proximal aux extrémités de la bobine d’induction (741) par rapport à des bornes de connexion au réseau haute tension du véhicule électrique.
[Revendication 7] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon la revendication précédente, dans lequel les composants de l’élévateur de tension (740) reliés à la bobine d’induction (741) sont disposés sur un support (742) thermiquement conducteur en contact avec une surface extérieure métallique du réservoir d’hydrogène (160).
[Revendication 8] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon la revendication précédente, dans lequel l’élévateur de tension (740) comportant la bobine d’induction (741), deux transistors (746, 747) et deux capacités (743, 748), les deux transistors (746, 747) et les deux capacités (743, 748) sont disposés sur le support (742).
[Revendication 9] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) selon la revendication 6, dans lequel le boîtier (745) comporte un canal de refroidissement.
[Revendication 10] Système d’alimentation (100) d’un moteur électrique (82) d’un véhicule hybride électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une batterie de traction (76) et un onduleur (80), l’onduleur (80) étant connecté en entrée à une sortie de l’élévateur de tension (740) et aux bornes de la batterie de traction (76), et connecté en sortie au moteur électrique (82) du véhicule.
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